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    Nuove strutture ibride ferroelettriche monostrato

    I domini costituiti da dipoli di polarizzazione elettrica sono scritti in uno schema a scacchiera in un film sottile di titanato di piombo e zirconio (PZT) con un microscopio conduttivo a forza atomica, e ripreso con lo stesso strumento (pannello di sinistra). Sia l'intensità che la distribuzione spettrale della fotoluminescenza emessa da un monostrato di disolfuro di tungsteno (WS2) trasferito sulla superficie del PZT è fortemente modulata da questi domini di polarizzazione (pannello di destra). Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti

    Scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti, Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali, hanno dimostrato che l'intensità e la composizione spettrale della fotoluminescenza emessa da un singolo monostrato di disolfuro di tungsteno (WS2) può essere controllata spazialmente dai domini di polarizzazione in un film adiacente del materiale ferroelettrico piombo zirconio titanato (PZT).

    Questi domini sono scritti nel PZT utilizzando un microscopio conduttivo a forza atomica, e la fotoluminescenza (PL) viene misurata in aria a temperatura ambiente. Poiché la larghezza della parete del dominio di polarizzazione in un ferroelettrico può essere di appena 1-10 nm, questo approccio consente la modulazione spaziale dell'intensità del PL e delle corrispondenti popolazioni di portatori con potenziale di risoluzione su scala nanometrica.

    I dichalcogenuri di metalli di transizione monostrato (TMD) come WS2 mostrano proprietà ottiche sorprendenti a causa del loro gap di banda diretto. La schermatura dielettrica è molto bassa a causa del loro carattere bidimensionale (2D), e quindi le loro proprietà sono fortemente influenzate dal loro ambiente immediato, e può essere modificato e controllato da variazioni nella densità di carica locale dovute ad adsorbati o gating elettrostatico. Ciò ha generato un vivo interesse per un'ampia varietà di applicazioni di dispositivi elettronici e ottici.

    Lo scienziato dell'NRL ha utilizzato un microscopio conduttore a forza atomica per scrivere i domini di polarizzazione in un film PZT in uno schema a scacchiera. In ogni dominio, il dipolo di polarizzazione punta o verso l'alto dal piano della superficie o verso il basso nel piano della superficie, e produce carica positiva o negativa sulla superficie PZT, rispettivamente. Il team ha quindi trasferito il monostrato WS2 che aveva coltivato mediante tecniche di deposizione chimica da vapore sul film PZT.

    Hanno scoperto che l'intensità PL dal WS2 è alta solo dalle aree sopra i domini nel PZT dove il dipolo di polarizzazione punta fuori dal piano della superficie, come mostrato nella figura a lato. Ulteriori analisi hanno rivelato che anche la composizione spettrale del PL era fortemente influenzata:gli spettri dei domini "su" erano dominati da contributi di eccitoni neutri (uno stato legato di un elettrone e una lacuna derivanti dall'interazione di Coulomb), mentre quelli dei domini "down" erano dominati da eccitoni carichi negativamente, o trione, contributi (un eccitone con un elettrone in più).

    "La fabbricazione di queste eterostrutture ferroelettriche ibride 2D/3-D consente di progettare e modulare in modo mirato popolazioni adiacenti di trioni ed eccitoni neutri, creare domini laterali in qualsiasi geometria a scelta" osserva il Dr. Berend Jonker, scienziato senior e ricercatore principale. Dott.ssa Connie Li, autore principale dello studio, sottolinea inoltre:"Poiché i domini FE possono essere riscritti con un microscopio a forza atomica e non sono volatili, ciò consente la modulazione spaziale delle proprietà TMD con risoluzione su scala nanometrica".

    Il payoff include lo sviluppo di materiali TMD ed eterostrutture ibride 2D/3-D con nuove funzionalità rilevanti per la missione DoD, compresa l'elettronica a bassissima potenza, memoria ottica non volatile e calcolo quantistico per future applicazioni DoD nell'elaborazione e nel rilevamento delle informazioni.

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