Исследователи Valleytronics разработали 2D-материал, который значительно повышает полезность возбуждающих частиц. Предоставлено: Nano Research, издательство Университета Цинхуа.

В области материаловедения термин «двумерные материалы» относится к твердым телам толщиной всего в один слой атомов. Они представляют интерес не только потому, что они очень малы, но и потому, что появляются новые физические свойства, когда материал утончается до одного атомного слоя. Возможно, самым известным 2D-материалом является графен, один слой атомов углерода, который обладает некоторыми удивительными свойствами, сильно отличающимися от других форм, которые принимает углерод, когда он поступает в большом количестве (или, более формально, «объемный кристалл»), в том числе примерно в 200 раз прочнее стали.

Но существуют сотни других типов 2D-материалов, которые, опять же, обладают совсем другими свойствами по сравнению с их объемной кристаллической формой. Один из таких 2D-материалов, дихалькогенид переходного металла или ДПМ, представляет особый интерес в мире оптоэлектроники, науки и технологии светоизлучающих и светоприемных устройств. В основе всех оптоэлектронных устройств лежит фотогальванический эффект или генерация электрического тока в материале при попадании луча света, например, в фотогальваническом элементе в солнечной панели, и его обратная форма, производство света из электрических сигналов.

Такая технология зависит от материалов, которые являются полупроводниками. Если снова использовать пример фотоэлектрической ячейки, когда свет попадает на полупроводник, этой энергии достаточно, чтобы возбудить электроны и перепрыгнуть через «зону запрещенной зоны» с валентного уровня атома на его уровень проводимости, где эти возбужденные электроны или более просто экситоны, теперь могут свободно течь в электрическом токе. По сути, благодаря этому особому свойству запрещенной зоны полупроводников свет преобразуется в электрическую энергию. Это же свойство ширины запрещенной зоны позволяет транзисторам, изготовленным из полупроводникового материала, такого как кремний, действовать как переключатели включения / выключения, используемые для хранения данных в виде единиц и нулей или «битов» в компьютерах.

Двумерный материал графен, полуметалл, не имеет запрещенной зоны. Это проводник, а не полупроводник. Однако отдельные слои («монослои») TMD, состоящие из атома переходного металла, такого как молибден или вольфрам, связаны с атомом из того же столбца периодической таблицы, что и кислород (халькогены), например сера, селен или теллур имеют полосу пропускания. Это делает TMD очень интересными для изготовления транзисторов и других оптоэлектронных устройств.

Подобно тому, как монослой материала имеет свойства, отличные от свойств того же материала в объемной кристаллической форме, 2D-материалы толщиной в два или три слоя (двухслойные или трехслойные) могут снова иметь свойства, отличные от свойств одного и того же материала в монослойной форме. А многослойный 2D-материал, состоящий из слоев двух и более разных материалов, называется гетероструктурой, которая будет обладать еще большими различиями в своих свойствах.

Строго говоря, термин экситон относится как к электрону, так и к пустому пространству или «дырке», которую он оставляет после себя, но к которой он остается притянутым и, таким образом, связанным: паре электрон-дырка. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, можно сказать, что электронная дырка имеет положительный заряд. В совокупности электронно-дырочная пара, или экситон, представляет собой электрически нейтральную «квазичастицу».

Экситоны в двумерных материалах также предпочитают одно из двух состояний импульса, в зависимости от поляризации света, который их возбудил. Эти предпочтительные импульсы часто называют «долинами», поскольку требуется много энергии, чтобы переместить экситон вверх из одного предпочтительного состояния импульса в другое.

Эта двухпозиционная бинарная природа таких экситонных долин потенциально предлагает новый способ хранения битов и выполнения логических операций. Зарождающаяся область «валлейтроники», которая исследует это явление, в последние годы бурно развивалась из-за диапазона потенциальных приложений, включая невероятно быстрые логические операции и, возможно, когда-нибудь квантовые вычисления небольшого размера при комнатной температуре.

Обычно экситоны существуют внутри слоя двумерного материала — внутрислойного экситона. Но существует и экзотический межслойный тип экситона, существующий между двумя монослоями, где электрон и дырка расположены в разных слоях. Эти межслойные экситоны сами по себе обладают различными новыми и заманчивыми свойствами, в том числе значительно более длительным сроком службы, чем их внутрислойные аналоги, что расширяет возможности их применения в экситонных устройствах с длительным сроком службы.

Бислои TMD в последние годы стали особенно привлекательными для исследователей оптоэлектроники, потому что они особенно хороши для размещения этих межслойных экситонов.

Но исследователи из Центрального Южного Университета решили, что они могут пойти еще дальше.

«Большинство исследований экситонов TMD сосредоточено на гетероструктурах, состоящих из двух разных монослойных TMD», — сказал Янпин Лю, физик и инженер, специализирующийся на валлитронике и соответствующий автор статьи. «Но наш интерес заключался в разработке трехслойной гетероструктуры с выравниванием зон типа II».

По сравнению с двухслойными гетероструктурами TMD с выравниванием зон типа II трехслойное выравнивание зон типа II в принципе предлагает ряд улучшений эффективности, а межслойные экситоны должны иметь еще более длительный срок службы, что повышает потенциал применения TMD в таких устройствах, как фотодетекторы, светодиоды, лазеры и фотогальваника. Но до сих пор межслоевые экситоны наблюдались только в двухслойных гетероструктурах ДПМ.

Команде удалось изготовить трехслойную гетероструктуру TMD (состоящую из молибдена и серы, молибдена и селена и вольфрама и селена), которую они затем наблюдали с помощью фотолюминесцентной спектроскопии. Они подтвердили наличие межслоевых экситонов и описали различные свойства и требования явления.

Изготовив новую гетероструктуру ДПМ, подтвердив существование долгоживущих межслоевых экситонов и подробно каталогизировав свойства и требования, команда теперь должна более точно изучить диапазон потенциальных применений их ДПМ в оптоэлектронных устройствах.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org