Çeşitli optoelektronik cihazlarda uyarılmış elektronların veya eksitonların momentum tercihinden yararlanan, yeni ortaya çıkan vadi elektroniği alanı, yalnızca atom kalınlığındaki yeni 2 boyutlu malzemelerin üretimiyle yakından bağlantılıdır. Bu ay, Çin'in Changsha kentindeki Central South Üniversitesi'nden bir grup vadi elektroniği araştırmacısı, bu heyecan verici parçacıkların kullanımını önemli ölçüde artıran böyle bir 2 boyutlu malzeme geliştirdi.

Üretiminin ayrıntıları ve özelliklerinin açıklanması dergide anlatılmıştır. Nano Araştırma.

Malzeme bilimi alanında, 2 boyutlu malzemeler terimi yalnızca bir atom katmanı kalınlığındaki katıları ifade eder. Bunlar sadece çok küçük oldukları için değil, aynı zamanda bir malzeme sadece bu atomik katmana kadar inceltildiğinde yeni fiziksel özelliklerin ortaya çıkması nedeniyle ilgi çekicidir. Belki de en ünlü 2 boyutlu malzeme, karbon atomlarının tek bir katmanı olan grafendir; bu malzeme, karbonun yığın halinde (veya daha resmi olarak 'yığın kristal') aldığı diğer formlardan çok farklı bazı şaşırtıcı özelliklere sahiptir; buna yaklaşık 200 kat daha fazla olması da dahildir. çelikten daha güçlü.

Ancak yine toplu kristal formlarından çok farklı özellikler sunan yüzlerce başka 2 boyutlu malzeme türü de var. Böyle bir 2 boyutlu malzeme, geçiş metali dikalkogenit veya TMD, optoelektronik dünyasında, yani ışık yayan ve ışık algılayan cihazların bilimi ve teknolojisinde özellikle ilgi görmektedir. Tüm optoelektronik cihazların temelinde, fotovoltaik etki veya bir ışık huzmesinin çarptığı bir malzemede elektrik akımı oluşması (örneğin, güneş panelindeki bir fotovoltaik hücrede olduğu gibi) ve bunun tersi olan, elektrik sinyallerinden ışık üretimi bulunur.

Bu teknoloji yarı iletken malzemelere bağlıdır. Tekrar PV hücresi örneğini kullanacak olursak, ışık bir yarı iletkene çarptığında, bu enerji elektronları bir "atlama" yönünde uyarmak için yeterlidir.bant aralığıBir atomun değerlik seviyesinden iletkenlik seviyesine kadar - bu uyarılmış elektronların veya daha basit bir ifadeyle eksitonların artık bir elektrik akımında serbestçe akabildiği yer. Aslında ışık, yarı iletkenlerin bu özel bant aralığı özelliği sayesinde elektrik enerjisine dönüştürülmüştür. Aynı bant aralığı özelliği, silikon gibi yarı iletken malzemeden yapılmış transistörlerin, verileri bilgisayarlarda birler ve sıfırlar veya "bitler" biçiminde depolamak için kullanılan açma/kapama anahtarları olarak işlev görmesine olanak tanıyan şeydir.

Yarı metal olan 2 boyutlu malzeme grafenin bant aralığı yoktur. Yarı iletken değil iletkendir. Bununla birlikte, molibden veya tungsten gibi bir geçiş metal atomunun, kükürt, selenyum veya tellür gibi oksijen (kalkojenler) ile periyodik tablodaki aynı sütundaki bir atoma bağlanmasından oluşan TMD'nin tek katmanları ("tek katmanlar") bunu yapar. bant boşluğu var. Bu, TMD'leri transistörlerin ve diğer optoelektronik cihazların imalatı için çok ilginç kılmaktadır.

Nasıl ki bir malzemenin tek katmanı, toplu kristal formundaki aynı malzemeden farklı özelliklere sahipse, iki veya üç katman (iki katmanlı veya üç katmanlı) kalınlığındaki 2D malzemeler, yine aynı tek katmanlı formdaki malzemeye göre farklı özelliklere sahip olabilir. İki veya daha fazla farklı malzemenin katmanlarından oluşan çok katmanlı bir 2 boyutlu malzemeye, özelliklerinde daha da fazla farklılık sağlayacak olan heteroyapı adı verilir.

Açıkça söylemek gerekirse, eksiton terimi hem elektronu hem de arkasında bıraktığı ancak çekim altında kaldığı ve dolayısıyla bağlı kaldığı boş alanı veya "deliği" ifade eder: bir elektron-delik çifti. Elektronun negatif yükü olduğundan elektron deliğinin pozitif yüke sahip olduğu söylenebilir. Elektron-delik çifti veya eksiton bir araya geldiğinde elektriksel olarak nötr bir "yarı parçacık"tır.

2D'de Eksitonlar malzemeler ayrıca kendilerini heyecanlandıran ışığın kutuplaşmasına bağlı olarak momentumun iki durumundan birini tercih ederler. Bu tercih edilen momentumlar genellikle "vadiler" olarak bilinir, çünkü bir eksitonu tercih edilen bir momentum durumundan diğerine taşımak çok fazla enerji gerektirir.

Bu tür eksiton vadilerinin bu açık/kapalı ikili doğası, potansiyel olarak bir biti depolamak ve mantık işlemlerini gerçekleştirmek için yeni bir yol sunar. Bu olguyu araştıran yeni ortaya çıkan "valleytronics" alanı, inanılmaz derecede hızlı mantıksal işlemler ve belki bir gün küçük boyutlu oda sıcaklığında kuantum hesaplama dahil olmak üzere potansiyel uygulama yelpazesi nedeniyle son yıllarda patlama yaşadı.

Tipik olarak eksitonlar, bir 2 boyutlu malzeme katmanında (bir katman içi eksiton) bulunur. Ancak aynı zamanda, elektron ve deliğin farklı katmanlarda yer aldığı, iki tek katman arasında bulunan, egzotik bir ara katman türü eksiton da mevcuttur. Bu ara katman eksitonlarının kendileri, iç katman muadillerine göre önemli ölçüde daha uzun ömürler de dahil olmak üzere, uzun ömürlü eksiton cihazlarındaki uygulamaları genişleten çeşitli yeni ve heyecan verici özelliklere sahiptir.

TMD'lerin çift katmanları son yıllarda optoelektronik araştırmacıları için özellikle çekici hale geldi çünkü bu katmanlar arası eksitonları barındırmada özellikle iyiler.

Ancak Central South Üniversitesi araştırmacıları bir katman daha iyiye gidebileceklerini düşündüler.

“Çoğu TMD eksiton Vaditronik konusunda uzmanlaşmış fizikçi ve mühendis ve makalenin ilgili yazarı Yanping Liu, "Araştırmalar iki farklı tek katmanlı TMD'den oluşan heteroyapılara takıntılı" dedi. "Fakat bizim ilgimiz tip II bant hizalaması ile üç katmanlı bir heteroyapı tasarlamaktı."

Tip II bant hizalaması olan iki katmanlı TMD heteroyapılarıyla karşılaştırıldığında, üç katmanlı tip II bant hizalaması prensipte bir dizi verimlilik iyileştirmesi sunar ve ara katman eksitonları, TMD'lerin fotodetektörler gibi cihazlarda uygulama potansiyelini artırarak daha da uzun bir ömre sahip olmalıdır. , ışık yayan diyotlar, lazerler ve fotovoltaikler. Ancak şimdiye kadar katmanlar arası eksitonlar yalnızca iki katmanlı TMD heteroyapılarında gözlemlendi.

Ekip, üç katmanlı bir TMD heteroyapısı (molibden ve kükürt, molibden ve selenyum ve tungsten ve selenyumdan oluşan) üretmeyi başardı ve bunu daha sonra fotolüminesans spektroskopisi kullanarak gözlemledi. Katmanlar arası eksitonların varlığını doğruladılar ve olayın çeşitli özelliklerini ve gereksinimlerini açıkladılar.

Yeni TMD heteroyapısını üretip, uzun ömürlü ara katman eksitonlarının varlığını doğrulayan ve kapsamlı bir şekilde kataloglanan özellikler ve gereksinimleri doğrulayan ekibin artık optoelektronik cihazlarda TMD'leri için potansiyel uygulama aralığını daha kesin bir şekilde araştırması gerekiyor.

Tarafından sunulan
Tsinghua Üniversitesi Yayınları