Una classe emergente di eterostrutture a semiconduttore comporta l'impilamento di monostrati discreti come i dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), per esempio. diseleniuro di molibdeno (MoSe2) e diseleniuro di tungsteno (WSe2), per formare le eterostrutture di van der Waals. Entrambe le caratteristiche di emissione hanno origine da transizioni eccitoniche che sono indirette nello spazio del momento e sono divise dall'accoppiamento spin-orbita. Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti
Gli scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti hanno fabbricato una struttura a doppio strato composta da due diversi materiali monostrato, e osservato uno stato elettronico unico formato dall'interazione tra questi due strati.
Dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD), come i composti inorganici diseleniuro di molibdeno (MoSe 2 ) e diseleniuro di tungsteno (WSe 2 ), sono una classe di materiali bidimensionali (2-D) a strati simili al grafene. Nuove eterostrutture possono essere fabbricate impilando singoli monostrati di questi materiali e le proprietà possono essere adattate dalla scelta e dalla sequenza di questi monostrati.
"Sulla base dei risultati sperimentali, abbiamo sviluppato un nuovo modello dell'interazione tra questi materiali che ha implicazioni ad ampio raggio su come si comportano e come possono essere utilizzati, " ha detto il dottor Aubrey Hanbicki, fisici di ricerca e autore principale dello studio. "Mostriamo come l'interazione tra gli strati può alterare il loro comportamento per creare un nuovo sistema composito".
Questa nuova classe di materiali composta da fogli atomicamente sottili ha il potenziale per avere un impatto su una vasta gamma di tecnologie importanti per la Marina e il Dipartimento della Difesa (DoD), afferma il dottor Berend T. Jonker, ricercatore principale dello sforzo. Questi vanno da sensori chimici per rilevare agenti di guerra chimica, esplosivi e prodotti chimici industriali tossici, a nuovi dispositivi optoelettronici da utilizzare in emettitori a fotone singolo, nano-laser, fotovoltaico, e fotorivelatori.
"In singoli strati, molti TMD sono semiconduttori otticamente attivi con alcune proprietà nuove ed esotiche, " Ha spiegato Hanbicki. "Quando illuminato con luce al di sopra di una specifica lunghezza d'onda, dipendente dalla banda proibita del materiale, gli elettroni vengono eccitati dalla banda di valenza nella banda di conduzione lasciando dietro di sé un "buco" carico positivamente. L'elettrone caricato negativamente e il suo foro vengono quindi attratti l'uno dall'altro e possono formare una coppia elettrone-lacuna chiamata eccitone. Dopo un brevissimo tempo, si ricombinano ed emettono luce a una lunghezza d'onda caratteristica del materiale."
Tipicamente, la durata di tali eccitoni è molto breve. Però, sia la durata che la lunghezza d'onda di emissione possono essere adattate selezionando con giudizio due monostrati TMD dissimili per formare un doppio strato. Con la giusta scelta dei materiali, l'elettrone e la lacuna possono risiedere in strati diversi. Queste particelle spazialmente separate possono formare un cosiddetto eccitone interstrato (ILE), che impiega molto più tempo per ricombinarsi.
L'interazione e la successiva ricombinazione dipendono fortemente dalla separazione fisica dell'elettrone e della lacuna, e una cura considerevole deve essere presa per progettare il contatto di interfaccia tra gli strati TMD.
La ricerca presso l'NRL ha utilizzato diversi processi di fabbricazione avanzati per impilare e allineare MoSe . a strato singolo 2 fiocchi su singolo strato WSe 2 . Il MoSe 2 -WSe 2 stack è stato ulteriormente incapsulato da strati di nitruro di boro esagonale (hBN) ultra lisci e quindi "pulito" utilizzando una nuova tecnica di appiattimento recentemente sviluppata dagli scienziati dell'NRL.
Di conseguenza, l'ultrapulito hBN/MoSe 2 -WSe 2 Lo stack /hBN mostra questo eccitone interstrato unico anche a temperatura ambiente. A basse temperature, la funzione di emissione ILE si divide in due picchi fornendo la prima chiara risoluzione di questa suddivisione, e consentendo la comprensione dell'origine dell'ILE stesso. In particolare, perché i picchi ILE hanno quasi la stessa intensità, ma polarizzazione opposta, calcoli teorici possono individuare l'origine dell'ILE.
"Questo lavoro rappresenta un progresso significativo nella nostra comprensione generale dell'interazione dei TMD nelle eterostrutture e informerà la progettazione e l'implementazione di futuri dispositivi di eterostruttura TMD, " disse Hanbicki.
Questi risultati della ricerca sono riportati nella rivista ACS Nano
