I ricercatori del Berkeley Lab hanno trovato prove di stati oscuri eccitonici in monostrati di disolfuro di tungsteno che potrebbero spiegare le insolite proprietà optoelettroniche di singoli strati atomici di materiali dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC).
(Phys.org) —Un team di ricercatori del Berkeley Lab crede di aver scoperto il segreto dietro le insolite proprietà optoelettroniche di singoli strati atomici di materiali dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), i semiconduttori bidimensionali che sono molto promettenti per le applicazioni nanoelettroniche e fotoniche.
Utilizzando la spettroscopia di eccitazione a due fotoni, i ricercatori hanno sondato monostrati di disolfuro di tungsteno, uno dei materiali 2D più promettenti, e ha trovato prove dell'esistenza di stati oscuri eccitonici, stati energetici in cui i singoli fotoni non possono essere né assorbiti né emessi. Questi eccitoni sono stati previsti da calcoli ab initio dai membri del gruppo di ricerca per avere una sequenza di energia insolita, oltre a energia di legame eccitonico e bandgap che sono molto più grandi di quanto si sospettasse in precedenza per i materiali TMDC 2D.
"La scoperta dell'energia di legame eccitonico molto grande e dei bandgap e della sua natura non igrogena nei materiali semiconduttori 2D è importante non solo per comprendere l'interazione luce-materia senza precedenti derivante dal forte effetto a molti corpi, ma anche per applicazioni elettroniche e optoelettroniche, come LED ultracompatti, sensori e transistor, "dice Xiang Zhang, direttore della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e leader di questo studio. "Un'energia di legame così grande - 0,7 eV - potrebbe anche rendere stabili gli eccitoni a temperatura ambiente per i futuri sforzi di calcolo quantistico".
Zhang detiene la cattedra Ernest S. Kuh Endowed Chair presso l'Università della California (UC) Berkeley, dirige il Nano-scale Science and Engineering Center della National Science Foundation, ed è membro del Kavli Energy NanoSciences Institute di Berkeley. Lui e il fisico teorico del Berkeley Lab Steven Louie, anche con la Divisione di Scienze dei Materiali e UC Berkeley, sono gli autori corrispondenti di un articolo su Nature che descrive questa ricerca. L'articolo si intitola "Probing di stati oscuri eccitonici nel disolfuro di tungsteno a strato singolo". I coautori sono Ziliang Ye, Ting Cao, Kevin O'Brien, Hanyu Zhu, Xiaobo Yin, e Yuan Wang.
Gli eccitoni sono coppie legate di elettroni e lacune eccitati che possono causare deviazioni significative tra le energie di assorbimento o emissione dei fotoni e le bande proibite elettroniche che consentono ai semiconduttori di funzionare nei dispositivi. I materiali 2D TMDC hanno suscitato molto scalpore nel settore dell'elettronica perché offrono un'efficienza energetica superiore e trasportano densità di corrente molto più elevate rispetto al silicio. Per di più, a differenza del grafene, l'altro semiconduttore 2D altamente pubblicizzato, I TMDC hanno limiti di banda limitati. Questo li rende più pronti per il dispositivo rispetto al grafene, che non ha band gap naturali. Però, i punti interrogativi in bilico sulla dimensione del bandgap e l'effetto eccitonico nei TMDC 2D hanno ostacolato il loro sviluppo.
"Rivelando sperimentalmente stati oscuri eccitonici 2D in un monostrato TMDC, abbiamo dimostrato intensi effetti a molti elettroni in questa classe di semiconduttori 2D, "dice Ziliang Ye, un membro del gruppo di ricerca di Zhang e uno dei due autori principali del Naturepaper. "La nostra scoperta fornisce una base per sfruttare le insolite interazioni tra luce e materia che risultano da forti effetti eccitonici, e dovrebbe anche consentire una migliore progettazione di eterostrutture che coinvolgono monostrati TMDC".
Oltre a LED e fotorilevatori, la scoperta di stati oscuri eccitonici fortemente legati potrebbe anche avere importanti implicazioni per la "valleytronica, " una potenziale nuova strada molto promettente verso una nuova elettronica e un'elaborazione dati ultraveloce.
"In Valleytronics, l'informazione è codificata in un numero quantico d'onda che descrive a quale valle del paesaggio energia-impulso appartiene un vettore mentre si muove attraverso un reticolo cristallino, " dice Louie. "Il nostro lavoro fornisce una nuova comprensione e informazioni sugli stati foto-eccitati, e sui vettori risultanti in cui sono codificate le informazioni sulla valle."
Dice Ting Cao, un membro del gruppo di ricerca di Louie e l'altro autore principale dell'articolo su Nature, "I TMDC 2D dovrebbero essere adatti anche alla prossima generazione di dispositivi flessibili ed elettronica indossabile".
