Atomisk tynde halvledere til nanofotonik

Atomisk tynde halvledere såsom molybdændisulfid og wolframdisulfid er lovende materialer til fotoniske enheder i nanoskala. Disse cirka 2D-halvledere understøtter såkaldte excitoner, som er bundne elektron-hul-par, som kan justere lodret langs materialernes tynde plan.

Excitoner er bundne elektron-hul-par, der kan interagere med elektriske ladninger, spins og fononer. Denne række af interaktioner indikerer, at excitoner kunne varsle en ny bølge af enheder baseret på nanoskala fotonik og optoelektronik.

For sin ph.d. afhandling undersøgte Rasmus Godiksen excitonadfærden i atomisk tynde halvledere, med fokus på udsendt lys, ved at udforske potentialet for excitoner i ultratynde halvledere såsom molybdændisulfid (MoS₂ ) og wolframdisulfid (WS₂ ). Halvlederne er så tynde, at de kan tilnærmes som 2D-materialer. Så i virkeligheden studerede Godiksen excitoner i 2D-materialer.

Følsomhed

Først viste Godiksen og hans samarbejdspartnere, at 2D excitonerne er meget følsomme over for deres nanoskopiske miljø. Ved hjælp af fotoluminescens (PL) billeddannelsesteknikker målte de fluorescensfluktuationer på grund af ladningsoverførsel til halvlederen. Sådanne fluktuationer er rumligt korrelerede over titusvis af mikrometer i WS₂ monolag på metalfilm.

På grund af ladningsudsving fra fældetilstande (som er tilstande, der fanger exciterede bærere såsom elektroner, huller og excitoner), følger de strømstatistik med samtidige ændringer i emissionsintensitet, levetid og exciton-trion-forhold. Magtlovsstatistikker er en indikator for fangst og fjernelse af excitoner, så dette giver bevis for fangede tilstande.

Dalfrihedsgrad

Excitoner i WS₂ har også en grad af frihed med hensyn til dale, som kobler spinpolarisering til momentumretning. Dale i båndstrukturen kan udforskes ved hjælp af cirkulært polariseret lys. Spændende eller detektering af en exciton i én dal kan f.eks. bruges i informationsteknologier.

For at forklare kontrasten i spin-dal polarisering i et par lag af WS₂ og wolframdiselenid (WSe₂ ), brugte Godiksen lag- og temperaturafhængige cirkulært polariserede PL-målinger. Dette relaterede deres kontrasterende polariseringer til et andet momentum af deres ledningsbåndminima.

Den overordnede spin-dal-dynamik er styret af exciton- og dalens levetid. Dalpolariseret emission bestemmes af konkurrerende levetider - excitonens levetid og dalens levetid. Ved at reducere excitonens levetid er det muligt at øge dalens polariserede emission. Dette skyldes, at excitoner rekombinerer og udsender lys hurtigere, end de spreder til de andre tilgængelige dale.

Ved at ændre afstanden til en WS₂ dobbeltlag til et spejl, øger excitationsforstærkningen exciton-exciton-annihilation, hvilket resulterer i højere polarisering.

Silicone nanoresonatorer

Til sidst undersøgte Godiksen brugen af ​​siliciumnanoantenne til yderligere at forbedre interaktionen af ​​cirkulært polariseret lys med dalpolariserede excitoner. Han viste, at krystallinske siliciumnanodiske bevarer den cirkulære polarisering af lys i nærfeltet som krævet for yderligere forbedring af dalpolariseret emission.

Godiksens resultater fremmer forståelsen af ​​interaktionerne mellem excitoner og ladninger, spins og fotoner med implikationer for en række nanofotoniske enheder, der bruger atomisk tynde halvledere.

Enkeltfotonkilder er interessante til kvanteberegning, molekylære sensorer kan øge følsomheden ned til enkeltmolekyleniveau, og valleytroniske enheder kan bane vejen for en ny generation af elektroniske enheder baseret på dalpolarisering. + Udforsk yderligere

Nye forskningsresultater giver valleytronics et løft