Можно ли сделать такие носимые устройства, как костюм Человека-паука, тонкими и мягкими, но при этом обладающими электрическими и оптическими функциями? Ответ заключается в производстве новых материалов, которые намного превосходят по своим характеристикам существующие материалы, и в разработке технологий, позволяющих точно контролировать физические свойства таких материалов.

Разделение дихалькогенида переходного металла (TMD) на один слой, как и графена, превращает его в тонкий двумерный (2D) пленочный материал, который демонстрирует характеристики высокоэффективных полупроводников. Путем наложения двух разрозненных слоев TMD различные комбинации типов TMD и методов наложения могут создавать уникальные свойства.

По этой причине 2D-полупроводники на основе гетероструктур привлекают внимание как важный материал нового поколения для электронной промышленности в научных кругах и промышленности по всему миру. Однако коммерциализировать их по-прежнему довольно сложно из-за сложности точного контроля физических свойств их квазичастиц.

Профессор Kyoung-Duck Park, Yeonjeong Koo и Hyeongwoo Lee из физического факультета POSTECH провели совместные исследования с командой из Университета ИТМО в России под руководством профессора Василия Кравцова для разработки многофункциональной спектроскопии с усиленным зондом, которая динамически контролирует квазичастицы (2D материал) в небольшом пространстве.

Команда успешно контролировала полупроводниковые частицы, такие как межслойные экситоны и межслойные трионы, которые образуются в гетеробислоях TMD, с помощью спектроскопии на уровне около 20 нм. Исследование было недавно опубликовано в журнале Light: Science & Applications.

Как и экситоны, межслоевые экситоны гетеробислоев ДПМ проявляют фотолюминесценцию (ФЛ), которая является одним из свойств полупроводниковых материалов. Межслойные экситоны, которые представляют собой электрически нейтральные квазичастицы, могут использоваться в полупроводниковых устройствах следующего поколения с меньшим тепловыделением, поскольку они частично состоят из света и частично из вещества. Их также можно использовать в качестве источника света для квантовых информационных технологий из-за более длительного времени когерентности, чем у экситонов. Тем не менее, есть несколько препятствий, которые необходимо преодолеть в их применении. У них очень низкая светоотдача при комнатной температуре, и их световую энергию трудно регулировать.

Команда POSTECH под руководством профессора Парка, предложившая технологию управления экситонами в наноразмерных пространствах в своих предыдущих исследованиях, успешно разработала многофункциональную спектроскопию с усиленным наконечником, которая может регулироваться давлением в гигапаскалях (ГПа) и интенсивностью ближнего поля. .

Спектроскопия может увеличить световую эффективность межслойных экситонов примерно в 9000 раз и динамически модулировать их световую энергию (цвет света). Кроме того, технология инжекции горячих электронов на основе наконечника позволила команде впервые в мире добиться динамического управления преобразованием квазичастиц между межслойными экситонами и межслойными трионами.

Наиболее существенным преимуществом научного прорыва является то, что он позволяет динамически управлять физическими свойствами квазичастиц в условиях комнатной температуры и атмосферного давления и анализировать в режиме реального времени оптические характеристики полупроводниковых частиц с пространственным разрешением около 20 нм, что составляет намного короче длины волны света.

Ёнджон Ку, один из двух соавторов исследовательской работы, объяснил: «Спектроскопия, разработанная командой, может быть использована для выявления новых физических свойств отдельных полупроводниковых частиц, таких как межслойные экситоны из гетеробислоев TMD, вперед к следующим физическим открытиям».

Ожидается, что результаты исследований откроют возможности для различных применений двумерных полупроводников на основе гетероструктур, которые широко изучаются в качестве материала следующего поколения. Тот факт, что фундаментальные исследования в области разработки измерительных приборов в значительной степени способствовали получению результатов, привлек еще больше внимания в этой области.

Ожидается также, что эта технология будет использоваться при разработке сверхтонких носимых оптоэлектронных устройств с высокой яркостью. Достижение тем более значимо в нынешней ситуации, когда США, Япония и Китай борются за доминирование на рынке полупроводникового оборудования и воздвигают технологические барьеры.