Лаборатория оптики и сверхбыстрой спектроскопии доктора Антона Малько специализируется на науке и разработке экситонных процессов в различных новых наноматериалах и гибридных структурах. Малко и его коллеги протестировали сверхтонкие полупроводники, изготовленные с помощью метода, называемого лазерным синтезом, в недавнем исследовании. Предоставлено: Техасский университет в Далласе.

Доктор Антон Малько, профессор физики в Школе естественных наук и математики, является соответствующим автором статьи, опубликованной в Интернете 30 марта в журнале Advanced Materials, в которой описываются испытания сверхтонких полупроводников, выполненные с помощью недавно разработанного метода, называемого методом лазерного синтеза (LAST). ). Полученные данные показывают, что новая квантовая физика работает.

Полупроводники представляют собой класс кристаллических твердых тел, электрическая проводимость которых находится между проводником и изолятором. Эту проводимость можно контролировать извне, либо легированием, либо электрическим затвором, что делает их ключевыми элементами для диодов и транзисторов, лежащих в основе всех современных электронных технологий.

Двумерные дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) представляют собой ультратонкий полупроводник нового типа, состоящий из переходного металла и элемента халькогена, расположенных в одном атомном слое. В то время как TMD исследуются в течение десяти лет или около того, 2D-форма, которую исследовал Малко, имеет преимущества в масштабируемости и оптоэлектронных свойствах.

«ПОСЛЕДНИЙ — очень чистый метод. Вы берете чистый молибден или вольфрам и чистый селен или серу и испаряете их под интенсивным лазерным излучением», — сказал Малко. «Эти атомы распределяются на подложке и делают двумерный слой TMD толщиной менее 1 нанометра».

Оптические свойства материала частично определяются поведением экситонов, которые представляют собой квазичастицы, способные переносить энергию, оставаясь при этом электрически нейтральными.

«Когда полупроводник поглощает фотон, он создает в полупроводнике отрицательно заряженный электрон в паре с положительной дыркой для поддержания нейтрального заряда. Эта пара — экситон взаимодействия между ними, — сказал Малко.

Малко и его команда были удивлены, обнаружив, что экситоны в TMD, произведенных ПОСЛЕДНИМИ, существуют в 100 раз дольше, чем экситоны в других материалах TMD.

«Мы быстро обнаружили, что с оптической точки зрения эти 2D-образцы ведут себя совершенно иначе, чем все, что мы видели за 10 лет работы с TMD», — сказал он. «Когда мы начали смотреть на это глубже, мы поняли, что это не случайность, это повторяется и зависит от условий роста».

Малко считает, что такое более длительное время жизни вызвано непрямыми экситонами, которые оптически неактивны.

«Эти экситоны используются как своего рода резервуар для медленной подпитки оптически активных экситонов», — сказал он.

Ведущий автор исследования доктор Навенду Мондал, бывший научный сотрудник UT Dallas, а ныне научный сотрудник Имперского колледжа Лондона имени Марии Склодовской-Кюри, сказал, что, по его мнению, непрямые экситоны существуют из-за аномального напряжения между монослойным материалом TMD и субстрат, на котором он растет.

«Контроль деформации в атомарно тонком монослое TMD является важным инструментом для адаптации их оптоэлектронных свойств», — сказал Мондал. «Их электронная зонная структура очень чувствительна к структурным деформациям. При достаточном напряжении модификации запрещенной зоны вызывают образование различных непрямых «темных» экситонов, которые оптически неактивны. Благодаря этому открытию мы показываем, как присутствие этих скрытых темных экситонов влияет на те экситоны, созданные непосредственно фотонами».

Малко сказал, что встроенная деформация в 2D TMD сравнима с той, которая была бы вызвана давлением на материал с внешними микро- или наноразмерными столбиками, хотя это не является приемлемым технологическим вариантом для таких тонких слоев.

«Это напряжение имеет решающее значение для создания этих оптически неактивных непрямых экситонов», — сказал он. «Если вы удалите подложку, напряжение исчезнет, ​​и этот замечательный оптический отклик исчезнет».

Малко сказал, что непрямые экситоны можно как электронно контролировать, так и преобразовывать в фотоны, что открывает путь к разработке новых оптоэлектронных устройств.

«Эта увеличенная продолжительность жизни имеет очень интересные потенциальные применения», — сказал он. «Когда экситон имеет продолжительность жизни всего около 100 пикосекунд или меньше, у него нет времени на его использование. Но в этом материале мы можем создать резервуар неактивных экситонов, которые живут намного дольше — несколько наносекунд вместо сотен пикосекунд. С этим можно многое сделать».

Малко сказал, что результаты исследования являются важной проверкой концепции будущих устройств квантового масштаба.

«Мы впервые знаем о том, что кто-то сделал это фундаментальное наблюдение таких долгоживущих возбуждений в материалах TMD — достаточно долго, чтобы их можно было использовать в качестве квантового бита — точно так же, как электрон в транзисторе или даже просто для сбора света в солнечная батарея», — сказал он. «Ничто в литературе не может объяснить это сверхдлительное время жизни экситонов, но теперь мы понимаем, почему они обладают такими характеристиками».

Затем исследователи попытаются манипулировать экситонами с помощью электрического поля, что является ключевым шагом к созданию логических элементов квантового уровня.

«Классические полупроводники уже миниатюризированы до порога, прежде чем квантовые эффекты полностью изменят правила игры», — сказал Малко. «Если вы сможете подать напряжение затвора и показать, что материалы 2D TMD будут работать для будущих электронных устройств, это огромный шаг. Атомный монослой в материале 2D TMD в 10 раз меньше, чем предельный размер кремния. Но можете ли вы создать логические элементы на такого размера? Вот что нам нужно выяснить.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org