Атомарно тонкие полупроводники для нанофотоники
Атомарно тонкие полупроводники, такие как дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама, являются многообещающими материалами для наноразмерных фотонных устройств. Эти приблизительно двумерные полупроводники поддерживают так называемые экситоны, которые представляют собой связанные электронно-дырочные пары, которые могут располагаться вертикально вдоль тонкой плоскости материалов.
Предоставлено: Расмус Годриксен.
Экситоны — это связанные электронно-дырочные пары, которые могут взаимодействовать с электрическими зарядами, спинами и фононами. Этот диапазон взаимодействий указывает на то, что экситоны могут предвещать новую волну устройств, основанных на наноразмерной фотонике и оптоэлектронике.
Защитив диссертацию, Расмус Годиксен исследовал поведение экситонов в атомарно тонких полупроводниках, сосредоточив внимание на излучаемом свете, исследуя потенциал экситонов в сверхтонких полупроводниках, таких как дисульфид молибдена (MoS 2 ) и дисульфид вольфрама (WS 2 ). Полупроводники настолько тонкие, что их можно аппроксимировать двумерными материалами. Таким образом, Годиксен изучал экситоны в двумерных материалах.
Чувствительность
Во-первых, Годиксен и его сотрудники показали, что двумерные экситоны очень чувствительны к своему наноскопическому окружению. Используя методы визуализации фотолюминесценции (ФЛ), они измерили колебания флуоресценции из-за переноса заряда на полупроводник. Такие флуктуации пространственно коррелированы на десятки микрометров в монослоях WS 2 на металлических пленках.
Из-за флуктуаций заряда от состояний ловушки (которые являются состояниями, которые захватывают возбужденные носители, такие как электроны, дырки и экситоны), они следуют степенной статистике с одновременными изменениями интенсивности излучения, времени жизни и отношения экситонов к трионам. Статистические данные по степенному закону являются индикатором захвата и высвобождения экситонов, так что это свидетельствует о захваченных состояниях.
Степень свободы долины
Экситоны в WS 2 также имеют степень свободы в отношении долин, которая связывает спиновую поляризацию с направлением импульса. Долины в ленточной структуре можно исследовать с помощью света с круговой поляризацией. Возбуждение или обнаружение экситона в одной долине может использоваться, например, в информационных технологиях.
Чтобы объяснить контраст в поляризации спиновой долины в нескольких слоях WS 2 и диселенида вольфрама (WSe 2 ), Годиксен использовал зависящие от слоя и температуры измерения ФЛ с круговой поляризацией. Это связывало их контрастные поляризации с разным импульсом минимумов зоны проводимости.
Общая динамика спин-долины определяется временем жизни экситона и долины. Долинное поляризованное излучение определяется конкурирующими временами жизни — временем жизни экситона и временем жизни долины. Уменьшая время жизни экситона, можно увеличить долинно-поляризованное излучение. Это связано с тем, что экситоны рекомбинируют и излучают свет быстрее, чем рассеиваются в другие доступные долины.
Изменяя расстояние от двойного слоя WS 2 до зеркала, усиление возбуждения увеличивает экситон-экситонную аннигиляцию, что приводит к более высокой поляризации.
Кремниевые нанорезонаторы
Наконец, Годиксен исследовал использование кремниевой наноантенны для дальнейшего усиления взаимодействия света с круговой поляризацией с экситонами с долинной поляризацией. Он показал, что нанодиски из кристаллического кремния сохраняют круговую поляризацию света в ближнем поле, что необходимо для дополнительного усиления долинно-поляризованного излучения.
Результаты Годиксена способствуют пониманию взаимодействий экситонов с зарядами, спинами и фотонами, что имеет значение для ряда нанофотонных устройств, использующих атомарно тонкие полупроводники.
Однофотонные источники интересны для квантовых вычислений , молекулярные датчики могут увеличить чувствительность до уровня одной молекулы, а устройства валлотрона могут проложить путь для нового поколения электронных устройств, основанных на поляризации долины.
