Eterostrutture formate da diversi semiconduttori tridimensionali costituiscono la base per i moderni dispositivi elettronici e fotonici. Ora, Gli scienziati dell'Università di Washington hanno combinato con successo due diversi semiconduttori ultrasottili, ciascuno di uno strato di atomi spesso e di circa 100, 000 volte più sottile di un capello umano, per creare una nuova eterostruttura bidimensionale con potenziali usi nell'energia pulita e nell'elettronica otticamente attiva. Il gruppo, guidato da Xiaodong Xu, illustre professore associato di Boeing, ha annunciato i suoi risultati in un articolo pubblicato il 12 febbraio sulla rivista Scienza .

L'autore senior Xu e gli autori principali Kyle Seyler e Pasqual Rivera, entrambi dottorandi nel dipartimento di fisica della UW, sintetizzato e studiato le proprietà ottiche di questo nuovo tipo di sandwich semiconduttore.

"Quello che stiamo vedendo qui è distinto dalle eterostrutture fatte di semiconduttori 3D, " disse Xu, che ha incarichi congiunti nel Dipartimento di Fisica e nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Abbiamo creato un sistema per studiare le proprietà speciali di questi strati atomicamente sottili e il loro potenziale per rispondere a domande di base sulla fisica e sviluppare nuove tecnologie elettroniche e fotoniche".

Quando i semiconduttori assorbono la luce, coppie di cariche positive e negative possono formarsi e legarsi per creare i cosiddetti eccitoni. Gli scienziati hanno studiato a lungo come si comportano questi eccitoni, ma quando vengono ridotti al limite 2-D in questi materiali atomicamente sottili, possono verificarsi interazioni sorprendenti.

Mentre i semiconduttori tradizionali manipolano il flusso di carica degli elettroni, questo dispositivo permette di conservare gli eccitoni in "valli, " un concetto della meccanica quantistica simile allo spin degli elettroni. Si tratta di un passaggio fondamentale nello sviluppo di nuove tecnologie su nanoscala che integrino la luce con l'elettronica.

"Si sapeva già che questi semiconduttori 2-D ultrasottili hanno queste proprietà uniche che non è possibile trovare in altre disposizioni 2-D o 3-D, " disse Xu. "Ma come mostriamo qui, quando mettiamo insieme questi due strati, uno sopra l'altro, l'interfaccia tra questi fogli diventa il sito di proprietà fisiche ancora più nuove, che non vedi in ogni livello da solo o nella versione 3D."

Xu e il suo team volevano creare ed esplorare le proprietà di un'eterostruttura a semiconduttore 2-D composta da due diversi strati di materiale, una naturale espansione dei loro precedenti studi sulle giunzioni atomicamente sottili, così come laser su scala nanometrica basati su strati atomicamente sottili di semiconduttori. Studiando come la luce laser interagisce con questa eterostruttura, hanno raccolto informazioni sulle proprietà fisiche dell'interfaccia atomicamente nitida.

"Molti gruppi hanno studiato le proprietà ottiche di singoli fogli 2-D, " disse Seyler. "Quello che facciamo qui è impilare con cura un materiale sopra l'altro, e poi studiare le nuove proprietà che sorgono all'interfaccia."

Il team ha ottenuto due tipi di cristalli semiconduttori, diseleniuro di tungsteno (WSe2) e diseleniuro di molibdeno (MoSe2), dai collaboratori dell'Oak Ridge National Laboratory. Hanno utilizzato strutture sviluppate internamente per organizzare con precisione due strati, uno derivato da ogni cristallo, un processo che ha richiesto alcuni anni per svilupparsi completamente.

"Ma ora che sappiamo come farlo correttamente, possiamo farne di nuovi in ​​una o due settimane, " disse Xu.

Far sì che questi dispositivi emettano luce ha rappresentato una sfida unica, a causa delle proprietà degli elettroni in ogni strato.

"Una volta che hai questi due fogli di materiale, una domanda essenziale è come posizionare insieme i due strati, " ha detto Seyler. Gli elettroni in ogni strato hanno proprietà di spin e valle uniche, e "il modo in cui li posizioni - il loro angolo di torsione - influenza il modo in cui interagiscono con la luce".

Allineando i reticoli cristallini, gli autori potrebbero eccitare l'eterostruttura con un laser e creare eccitoni otticamente attivi tra i due strati.

"Questi eccitoni all'interfaccia possono memorizzare informazioni sulla valle per ordini di grandezza più lunghi di uno degli strati da soli, " ha affermato Rivera. "Questa lunga durata consente effetti affascinanti che possono portare a ulteriori applicazioni ottiche ed elettroniche con funzionalità di valle".

Ora che possono realizzare in modo efficiente un'eterostruttura di semiconduttori con materiali 2-D, Xu e il suo team vorrebbero esplorare una serie di affascinanti proprietà fisiche, compreso il modo in cui varia il comportamento degli eccitoni quando cambiano gli angoli tra gli strati, le proprietà quantistiche degli eccitoni tra gli strati e l'emissione di luce azionata elettricamente.

"C'è un intero settore che vuole utilizzare questi semiconduttori 2-D per realizzare nuovi dispositivi elettronici e fotonici, " ha detto Xu. "Quindi stiamo cercando di studiare le proprietà fondamentali di queste nuove eterostrutture per cose come una tecnologia laser efficiente, diodi emettitori di luce e dispositivi di raccolta della luce. Si spera che questi possano essere utili per l'energia pulita e le applicazioni della tecnologia dell'informazione. È piuttosto eccitante, ma c'è molto lavoro da fare".