Forskere opdager, at vendende lag i heterostrukturer forårsager ændringer i deres egenskaber

Transition metal dichalcogenide (TMD) halvledere er specielle materialer, som længe har fascineret forskere med deres unikke egenskaber. For det første er de flade, et-atom-tykke todimensionelle (2D) materialer, der ligner grafen. De er forbindelser, der indeholder forskellige kombinationer af overgangsmetalgruppen (f.eks. molybdæn, wolfram) og chalcogenelementer (f.eks. svovl, selen, tellur).

Hvad der er endnu mere fascinerende er, at samling af forskellige TMD-lag i lodrette stakke skaber et nyt kunstigt materiale kaldet en van der Waals (vdW) heterostruktur. Ved at inkorporere forskellige materialer bliver det muligt at kombinere de enkelte lags egenskaber og producere nye optoelektroniske enheder med skræddersyede egenskaber. Dette åbner døren til at udforske grundlæggende fysik, såsom interlayer-excitoner, twistronics og mere.

Indtil nu har ingen forskere imidlertid undersøgt, om ændring af stablingsrækkefølgen påvirker de spektroskopiske egenskaber af disse heterostrukturer. I lang tid førte den manglende forståelse af TMD-heterostrukturer til en tvivlsom hypotese om, at ændring af lagenes stablingsrækkefølge ikke påvirker deres egenskaber. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Dette blev for nylig afvist af et hold forskere ved Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP), Institute for Basic Science (IBS) i Sydkorea. Ledet af professor LEE Young Hee opdagede gruppen, at den sekventielle rækkefølge af lagene i heterostrukturer påvirker genereringen af ​​"mørke excitoner" i materialet. Denne konstatering antydede den ekstra betydning af at overveje at stable sekventiel rækkefølgeafhængighed af disse materialer til videre brug i rigtige enhedsapplikationer.

Excitoner repræsenterer en elektron og et positivt ladet hul (et sted, hvor en elektron er fraværende) bundet sammen af ​​elektrostatisk tiltrækning i et fast materiale, typisk en halvlederkrystal. Enlags TMD-halvledere har et direkte båndgab og udviser optisk tilgængelige "lyse excitoner". Samtidig er der også "mørke excitoner", som er udfordrende at studere på grund af deres usynlighed. De underliggende mekanismer, der giver anledning til disse anomalier, er dog ikke fuldt ud forstået.

IBS-forskerne observerede et bemærkelsesværdigt fænomen:fremkomsten eller forsvinden af ​​yderligere fotoluminescens (PL) toppe baseret på forskellige stablingssekvenser. Denne tidligere urapporterede effekt er blevet bekræftet at være reproducerbar på tværs af flere heterostrukturer.

Forskerne tilskrev oprindelsen af ​​disse ekstra toppe til fremkomsten af ​​mørk exciton, der udelukkende er placeret i det øverste lag af heterostrukturen, hvilket yderligere bekræftes af scanning tunneling microscopy (STM). Forskere forventer, at denne egenskab kan bruges til optiske strømafbrydere i solpaneler.

Dr. Riya Sebait, den første forfatter til undersøgelsen sagde:"Vores eksperimentelle resultater viser tydeligt stablingssekvensafhængige anomale egenskaber, som potentielt kunne være banebrydende for et nyt studieområde kaldet 'fliptronics'. Når vi vender eller inverterer heterostrukturen, gennemgår bånd en unik renormalisering."

En ren, restfri grænseflade er nødvendig for at undersøge stabling sekventielt afhængige egenskaber. Denne undersøgelse repræsenterer et væsentligt gennembrud, da det var første gang. Det blev påvist, at ændring af den sekventielle stablingsrækkefølge i heterostrukturen kan føre til ændringer i dens fysiske egenskaber.

Forskere forsøgte at forklare dette flip-inducerede fænomen ved at se på den mikroskopiske mange-partikel model, hvilket tyder på, at lagafhængig stamme kunne være en mulig løsning på dette puslespil.

Forudsat at det øverste lag bliver mere belastet i forhold til det nederste lag, viser de beregnede data ved brug af den teoretiske model god overensstemmelse med forsøgsresultaterne. Dette tyder på, at denne stablingssekvensafhængige kræver yderligere undersøgelser, ikke kun for at forstå den underliggende fysik, men også for dens anvendelser på virkelige enheder.

Desuden letter denne undersøgelse også udnyttelsen af ​​momentum-forbudte mørke excitoner, da det på grund af den unikke båndrenormalisering ved heterostrukturen er muligt at konvertere dem til lyse excitoner.

Prof. Young Hee Lee, den primære korresponderende forfatter sagde:"Dette usædvanlige fænomen med fremkomsten af ​​mørke excitoner ved dobbeltlags heterostrukturen vil inspirere andre forskere til at dykke dybere ned i at forstå og udnytte disse ekstraordinære egenskaber til anvendelser."

Dette arbejde blev udført i tværfagligt samarbejde med prof. Ermin Malic ved Philipps-Universität Marburg, Tyskland, og forsker Seok Jun Yun fra Oak Ridge Laboratory, U.S..

Flere oplysninger: Riya Sebait et al., Sekventiel ordensafhængig mørk-exciton-modulation i tolags TMD-heterostruktur, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41047-6

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Institute for Basic Science