I semiconduttori bidimensionali (2D) possono ospitare un ricco insieme di specie eccitoniche a causa delle interazioni di Coulomb notevolmente migliorate. Gli stati eccitonici possono esibire grandi forze oscillatorie e forti interazioni luce-materia, e dominano le proprietà ottiche dei semiconduttori 2D. Inoltre, a causa della bassa dimensionalità, la dinamica eccitonica dei semiconduttori 2D può essere più suscettibile a vari stimoli esterni, arricchendo le possibili modalità sartoriali che possono essere sfruttate.

La comprensione dei fattori che possono influenzare la dinamica degli stati eccitati generati otticamente rappresenta un aspetto importante della fisica eccitonica nei semiconduttori 2D, ed è anche cruciale per l'applicazione pratica poiché i tempi di vita degli stati eccitati sono collegati alle cifre chiave di merito di più dispositivi optoelettronici e fotonici. Mentre alcune esperienze sono state accumulate per i semiconduttori sfusi, la natura atomica dei semiconduttori 2D potrebbe rendere questi approcci meno efficaci o difficili da adattare. D'altra parte, le proprietà uniche dei semiconduttori 2D, come gli stati eccitonici robusti, la sensibilità ai fattori ambientali esterni e la flessibilità nella costruzione di eterostrutture vdW, promettono strategie di modulazione diverse dai materiali convenzionali.

In un nuovo articolo di recensione pubblicato su Luce:scienza e applicazioni, un team di ricercatori, guidato dal professor Fengqiu Wang dell'Università di Nanchino, La Cina riassume le conoscenze e i progressi finora ottenuti sulla modulazione della dinamica di rilassamento dei fotoportatori nei semiconduttori 2D. Dopo un breve riassunto sulle dinamiche di rilassamento del fotoportatore nei semiconduttori 2D, gli autori discutono prima la modulazione delle interazioni di Coulomb e gli effetti risultanti sulle proprietà transitorie. Le interazioni di Coulomb nei semiconduttori 2D possono essere modulate introducendo uno screening aggiuntivo dall'ambiente dielettrico esterno o portatori di carica iniettati, che porta alla modifica dei bandgap di quasi-particelle e dell'energia di legame degli eccitoni. Quindi vengono discussi i fattori che influenzano la dinamica dei fotoportatori e le modalità di manipolazione secondo le vie di rilassamento oi meccanismi a cui sono associati.

Il primo fattore discusso è la distribuzione iniziale dei fotoportatori nelle strutture elettroniche a banda, che possono influenzare i loro processi di decadimento consentendo diversi percorsi di rilassamento disponibili nello spazio dell'energia e della quantità di moto. Dopo di che vengono discussi il rilassamento assistito da difetti e quello assistito da fononi. Mentre gli approcci che utilizzano il rilassamento assistito da difetti come il bombardamento ionico e l'incapsulamento sono simili a quelli per i semiconduttori sfusi, la modulazione sul rilassamento assistito da fononi per i semiconduttori 2D può essere diversa.

"Da una parte, l'accoppiamento tra portatori di carica e fononi può essere potenziato grazie alla schermatura dielettrica soppressa; d'altra parte, l'elevato rapporto superficie-volume rende i materiali 2D più suscettibili all'ambiente fononico esterno." Inoltre, la flessibilità nella costruzione di eterostrutture vdW e il trasferimento di carica ultraveloce attraverso le interfacce consente di personalizzare le dinamiche del fotoportatore attraverso l'ingegneria dell'allineamento della banda.

La transizione tra diverse specie di particelle offre anche l'opportunità di modulare attraverso la modifica dei rapporti tra diverse quasiparticelle, che possono modificare la porzione relativa dei diversi percorsi di rilassamento, e quindi le risposte ottiche transitorie dell'intero campione. Alla fine, viene discussa la modulazione della dinamica della polarizzazione spin/valle nei TMD 2D, e la discussione si concentra principalmente sui metodi per aumentare la durata della polarizzazione spin/valle.

Attraverso questa recensione, gli autori mirano a fornire una guida per lo sviluppo di metodi robusti che sintonizzano i comportamenti di rilassamento del fotoportatore e rafforzano la comprensione fisica su questo processo fondamentale nei semiconduttori 2D. Come notato dagli autori in conclusione, "Sono ancora necessari enormi sforzi di ricerca sia nella comprensione fondamentale che nella modulazione pratica del rilassamento del fotoportatore nei semiconduttori 2D".