Het opkomende gebied van valleytronics, dat gebruik maakt van de impulsvoorkeur van geëxciteerde elektronen of excitonen in een verscheidenheid aan opto-elektronische apparaten, is nauw verbonden met de fabricage van nieuwe 2D-materialen die slechts atomen dik zijn. Deze maand heeft een groep valleytronics-onderzoekers van de Central South University in Changsha, China, zo'n 2D-materiaal ontwikkeld dat de bruikbaarheid van deze opwindende deeltjes aanzienlijk verbetert.

De details van de fabricage en een verduidelijking van de eigenschappen ervan worden beschreven in het tijdschrift Nano-onderzoek.

In de materiaalwetenschap verwijst de term 2D-materialen naar vaste stoffen die slechts één laag atomen dik zijn. Deze zijn niet alleen interessant omdat ze erg klein zijn, maar ook omdat nieuwe fysische eigenschappen ontstaan ​​wanneer een materiaal wordt uitgedund tot slechts deze ene atomaire laag. Misschien wel het meest bekende 2D-materiaal is grafeen, een enkele laag koolstofatomen, die een aantal verbazingwekkende eigenschappen heeft die heel anders zijn dan andere vormen die koolstof aanneemt als het in bulk komt (of meer formeel, 'bulkkristal'), waaronder zo'n 200 keer sterker dan staal.

Maar er zijn honderden andere soorten 2D-materialen, die weer heel andere eigenschappen bieden dan hun bulkkristalvorm. Een van die 2D-materialen, overgangsmetaaldichalcogenide of TMD, is van bijzonder belang in de wereld van opto-elektronica, de wetenschap en technologie van lichtuitstralende en lichtdetecterende apparaten. Aan de basis van alle opto-elektronische apparaten ligt het fotovoltaïsche effect, of het opwekken van elektrische stroom in een materiaal wanneer het wordt geraakt door een lichtstraal, zoals in een fotovoltaïsche cel in een zonnepaneel, en zijn omgekeerde vorm, de productie van licht uit elektrische signalen.

Dergelijke technologie is afhankelijk van materialen die halfgeleiders zijn. Om het voorbeeld van de PV-cel weer te gebruiken: wanneer licht een halfgeleider raakt, is deze energie voldoende om elektronen te exciteren om een ​​sprong te maken.band gap” omhoog van het valentieniveau van een atoom naar zijn geleidingsniveau - waar deze geëxciteerde elektronen, of eenvoudiger excitonen, nu vrij kunnen stromen in een elektrische stroom. In feite is het licht door deze speciale bandgap-eigenschap van halfgeleiders omgezet in elektrische energie. Deze zelfde eigenschap van de bandafstand zorgt ervoor dat transistors - gemaakt van halfgeleidermateriaal zoals silicium - kunnen fungeren als aan/uit-schakelaars die worden gebruikt om gegevens op te slaan in de vorm van enen en nullen, of "bits" in computers.

Het 2D-materiaal grafeen, een halfmetaal, heeft geen bandafstand. Het is een geleider, geen halfgeleider. Enkele lagen ("monolayers") van TMD - gemaakt van een overgangsmetaalatoom zoals molybdeen of wolfraam gebonden aan een atoom uit dezelfde kolom op het periodiek systeem als zuurstof (de chalcogenen), zoals zwavel, selenium of tellurium - hebben echter een bandafstand. Dit maakt TMD's erg interessant voor de fabricage van transistors en andere opto-elektronische apparaten.

Net zoals de monolaag van een materiaal andere eigenschappen heeft dan hetzelfde materiaal in bulkkristalvorm, kunnen 2D-materialen die twee of drie lagen dik zijn (dubbellaag of drielaags) weer andere eigenschappen hebben dan hetzelfde materiaal in monolaagvorm. En een meerlagig 2D-materiaal dat is samengesteld uit lagen van twee of meer verschillende materialen wordt een heterostructuur genoemd, die nog meer verschillen in eigenschappen zal hebben.

Strikt genomen verwijst de term exciton zowel naar het elektron als naar de lege ruimte of het "gat" dat het achterlaat maar waaraan het aangetrokken en dus gebonden blijft: een elektron-gat-paar. Omdat het elektron een negatieve lading heeft, kan worden gezegd dat het elektronengat een positieve lading heeft. Gecombineerd is het elektron-gat-paar, of exciton, een elektrisch neutraal 'quasiparticle'.

Excitonen in 2D materieel geven ook de voorkeur aan een van de twee toestanden van momentum, afhankelijk van de polarisatie van het licht dat hen heeft opgewekt. Deze favoriete momenten worden vaak 'valleien' genoemd, omdat het veel energie kost om een ​​exciton omhoog te brengen van de ene favoriete momentumtoestand naar de andere.

Deze aan/uit, binaire aard van dergelijke excitonvalleien biedt mogelijk een nieuwe manier om een ​​bit op te slaan en logische bewerkingen uit te voeren. Het opkomende gebied van "valleytronics", dat dit fenomeen onderzoekt, is de afgelopen jaren explosief gegroeid vanwege het scala aan potentiële toepassingen, waaronder ongelooflijk snelle logische bewerkingen en, misschien ooit, kleine kwantumcomputing bij kamertemperatuur.

Gewoonlijk bestaan ​​excitonen binnen een laag 2D-materiaal - een intralaag exciton. Maar er bestaat ook een exotisch soort exciton tussen twee lagen, een exciton dat bestaat tussen twee monolagen, met het elektron en het gat in verschillende lagen. Deze excitonen tussen de lagen zelf hebben verschillende nieuwe en verleidelijke eigenschappen, waaronder een aanzienlijk langere levensduur dan hun tegenhangers in de binnenlaag, waardoor toepassingen in exciton-apparaten met een lange levensduur worden uitgebreid.

Dubbellagen van TMD's zijn de afgelopen jaren bijzonder aantrekkelijk geworden voor opto-elektronica-onderzoekers omdat ze bijzonder goed zijn in het hosten van deze excitonen tussen de lagen.

Maar de onderzoekers van de Central South University dachten dat ze nog een laag beter konden gaan.

“De meeste TMD opwinding studies zijn geobsedeerd door heterostructuren die zijn samengesteld uit twee verschillende enkellaagse TMD's, "zei Yanping Liu, een natuurkundige en ingenieur gespecialiseerd in valleytronics en overeenkomstige auteur van het artikel. "Maar onze interesse ging uit naar het ontwerpen van een drielaagse heterostructuur met type II banduitlijning."

Vergeleken met dubbellaagse TMD-heterostructuren met type-II-banduitlijning, biedt de drielaagse type-II-banduitlijning in principe een reeks efficiëntieverbeteringen, en de excitonen tussen de lagen zouden een nog langere levensduur moeten hebben, waardoor het toepassingspotentieel van TMD's in apparaten zoals fotodetectoren, lichtgevende diodes, lasers en fotovoltaïsche cellen. Maar tot nu toe waren de excitonen tussen de lagen alleen waargenomen in dubbellaagse TMD-heterostructuren.

Het team was in staat om een ​​drielaagse TMD-heterostructuur te fabriceren (samengesteld uit molybdeen en zwavel, molybdeen en selenium, en wolfraam en selenium), die ze vervolgens observeerden met behulp van fotoluminescentiespectroscopie. Ze bevestigden de aanwezigheid van excitonen tussen de lagen en beschreven verschillende eigenschappen en vereisten van het fenomeen.

Na de nieuwe TMD-heterostructuur te hebben gefabriceerd, het bestaan ​​van de langlevende excitonen tussen de lagen te hebben bevestigd en de eigenschappen en vereisten uitgebreid te hebben gecatalogiseerd, moet het team nu het bereik van mogelijke toepassingen voor hun TMD in opto-elektronische apparaten nauwkeuriger onderzoeken.

Geleverd door
Tsinghua Universitaire Pers