Identificare lo spessore del monostrato ReSe2. (A) L'immagine ottica del monostrato ReSe2 (all'interno del rettangolo tratteggiato) trasferita su G/h-BN. L'immagine inserita è l'immagine ottica in campo scuro per il fiocco ReSe2. (B) L'immagine AFM del monostrato ReSe2. Riquadro:l'altezza del gradino del fiocco ReSe2 esfoliato è misurata in ~0,8 ± 0,1 nm, suggerendo uno spessore monostrato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw2347
Lo studio dei notevoli effetti eccitonici nei semiconduttori bidimensionali (2-D) e il controllo delle loro energie di legame degli eccitoni può sbloccare l'intero potenziale dei materiali 2-D per future applicazioni in dispositivi fotonici e optoelettronici. In un recente studio, Zhizhan Qiu e colleghi dei dipartimenti interdisciplinari di chimica, ingegneria, materiali 2-D avanzati, fisica e scienza dei materiali a Singapore, Il Giappone e gli Stati Uniti hanno dimostrato grandi effetti eccitonici ed energie di legame degli eccitoni sintonizzabili sul cancello nel diseleniuro di renio a strato singolo (ReSe 2 ) su un dispositivo di grafene back-gated. Hanno utilizzato la spettroscopia a effetto tunnel di scansione (STS) e la spettroscopia a riflettanza differenziale per misurare il bandgap elettronico e ottico della quasiparticella (QP) (Eopt) del ReSe a strato singolo 2 per produrre una grande energia di legame degli eccitoni di 520 meV.
Gli scienziati hanno ottenuto una sintonizzazione continua del bandgap elettronico e dell'energia di legame degli eccitoni del monostrato ReSe 2 da centinaia di milli-elettronvolt tramite gating elettrostatico. Qiu et al. attribuito il fenomeno alle interazioni sintonizzabili di Coulomb derivanti dai vettori liberi controllati dal gate nel grafene. Le nuove scoperte sono ora pubblicate su Progressi scientifici e aprirà una nuova strada per controllare la rinormalizzazione del bandgap e le energie di legame degli eccitoni nei semiconduttori 2-D per una varietà di applicazioni tecniche.
I semiconduttori bidimensionali (2-D) atomicamente sottili di solito mostrano un'ampia rinormalizzazione del bandgap (cambiamenti nelle qualità fisiche) e straordinari effetti eccitonici dovuti al confinamento quantistico e allo screening dielettrico ridotto. Le interazioni luce-materia in questi sistemi sono governate da effetti eccitonici potenziati, che i fisici hanno studiato per sviluppare dispositivi a base di eccitoni a temperatura ambiente. Una caratteristica unica dei semiconduttori 2-D è la loro accordabilità senza precedenti rispetto alle proprietà elettriche e ottiche a causa del drogaggio e dello screening ambientale.
Immagini STM di pattern moiré in monostrato ReSe2/grafene. (da A a C) Pattern moiré rappresentativi osservati nell'esperimento. (D a F) Moiré calcolati ottenuti dall'analisi geometrica. è l'angolo di sovrapposizione tra ReSe2 e grafene. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw2347
I ricercatori possono progettare interazioni di Coulomb teoricamente previste e dimostrate sperimentalmente in semiconduttori 2-D per regolare il bandgap della quasiparticella (Eg) e le energie di legame degli eccitoni (Eb) dei campioni, con metodi come il doping chimico, cancello elettrostatico e screening ambientale ingegneristico. Tra le tecniche segnalate, il gating elettrostatico offre ulteriori vantaggi come la sintonizzabilità continua e l'eccellente compatibilità per l'integrazione nei dispositivi moderni. Però, una sovrapposizione della fase di assorbimento del bordo di banda con forti risonanze eccitoniche rende difficile determinare con precisione l'Eg dei semiconduttori 2-D dal solo spettro di assorbimento ottico.
Gli scienziati hanno quindi utilizzato la spettroscopia a effetto tunnel e la spettroscopia ottica per sondare direttamente l'Eb dei semiconduttori 2-D e misurare l'Eg e il bandgap ottico (Eopt). Nel presente lavoro, Qiu et al. utilizzato in modo simile questo approccio per dimostrare Eg sintonizzabile con gate ed effetti eccitonici in ReSe . monostrato 2 su un dispositivo a transistor ad effetto di campo (FET) al grafene back-gated. Hanno osservato un grande Eb di 520 meV per ReSe . monostrato 2 a tensione di porta zero, seguito da una sintonizzazione continua da 460 a 680 meV tramite gating elettrostatico dovuto a portatori liberi nel grafene controllati dal gate. La capacità di regolare con precisione il bandgap e gli effetti eccitonici dei semiconduttori di grafene 2-D fornirà un nuovo percorso per ottimizzare il trasporto di carica interfacciale o l'efficienza di raccolta della luce. Qui et al. si aspettano che i risultati attuali abbiano un impatto profondo sui nuovi dispositivi elettronici e optoelettronici basati su eterostrutture van der Waals ingegnerizzate artificialmente.
Qui et al. prima immagine del monostrato ReSe 2 per mostrare un 1 . distorto T struttura con simmetria triclina. I quattro atomi di Re sono scivolati dai loro siti ottaedrici regolari a causa del disaccoppiamento di carica per formare una struttura a catena 1D con unità a forma di diamante interconnesse. A causa delle caratteristiche topologiche, il monostrato ReSe 2 hanno mostrato proprietà elettroniche e ottiche anisotrope nel piano uniche utili per applicazioni optoelettroniche sensibili alla polarizzazione del vicino infrarosso.
Spettri dI/dV gate-dipendenti e di riflettanza differenziale di un monostrato ReSe2 su grafene. (A) spettro dI/dV del monostrato ReSe2 (linea blu) a Vg =0 V insieme all'LDOS calcolato (linea rossa tratteggiata). (B) Posizione energetica di VB massimo (VBM; punti rossi) e CB minimo (CBM; punti blu scuro) in funzione della tensione di gate. (C) Spettri dI/dV gate-dipendenti del monostrato ReSe2 su grafene/h-BN misurato a 4,5 K. La tensione di gate applicata è indicata sopra ogni curva STS. Il VBM e il CBM sono stati indicati da punti rosso chiaro e blu chiaro, rispettivamente. (D) Spettri di riflettanza differenziale dipendenti dal gate del monostrato ReSe2 su grafene/h-BN misurato a 5 K. La tensione di gate corrispondente è indicata sul lato di ogni spettro di riflettanza differenziale. Nota:gli spettri di riflettanza differenziale originale dopo la sottrazione dello sfondo (cerchi); curve fitte utilizzando la funzione Lorentziana (linee continue). a.u., unità arbitrarie. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw2347.
Per sondare gli effetti eccitonici dipendenti dal vettore, gli scienziati hanno prima trasferito un ReSe . monostrato 2 scaglie su un dispositivo FET (transistor ad effetto di campo) al grafene pulito. Il dispositivo costituito da diversi componenti secondo una ricetta precedentemente stabilita per includere un SiO 2 substrato, che contrastava con la planarità atomica costituente del nitruro di boro esagonale (hBN) che riduceva notevolmente la rugosità superficiale e la disomogeneità della carica nel grafene. L'uso del grafene ha consentito misurazioni di microscopia a effetto tunnel a scansione diretta (STM) del ReSe . a strato singolo gated 2 migliorando nel contempo il contatto elettrico con ReSe . monostrato 2 .
Dopo l'imaging STM, l'immagine risolta atomicamente ha rivelato una struttura simile a una catena di diamanti come previsto per ReSe . monostrato 2 con un 1 . distorto T struttura atomica. Gli scienziati hanno osservato l'allineamento di impilamento del materiale lungo due orientamenti cristallografici come motivi moiré, dove monostrato ReSe 2 contenente una simmetria reticolare triclina giaceva su grafene con un reticolo a nido d'ape.
Rinormalizzazione del bandgap sintonizzabile su gate ed energia di legame degli eccitoni del monostrato ReSe2 sul grafene. (A) Un grafico del bandgap QP Ad esempio (punti neri), bandgap ottico Eopt (punti rossi), e l'energia di legame degli eccitoni Eb (punti blu) in funzione della tensione di gate. Nota:l'Eopt =1,47 ± 0,01 eV rimane costante quando la tensione di gate aumenta da -40 a 40 V. Nota:lo stesso Eopt viene utilizzato per il calcolo di Eb alla tensione di gate di -63, -60, -50, e +45 V. La linea blu continua si riferisce all'Eb teoricamente previsto in funzione della tensione di gate (fare riferimento alla sezione S8 per maggiori dettagli). (B) Illustrazione dello screening delle interazioni elettrone-lacuna nel monostrato ReSe2 da parte dei vettori liberi controllati dal cancello nel grafene. (C) Illustrazione schematica di Eg e Eb sintonizzabili con gate del monostrato ReSe2 alla tensione di gate di -63 e +45 V, rispettivamente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw2347.
Quando hanno sondato le proprietà elettroniche locali di ReSe 2 utilizzando la STS (spettroscopia a effetto tunnel) gli scienziati hanno osservato che gli spettri di conduttanza differenziale (dI/dV) in diverse regioni moiré mostravano caratteristiche simili. Come caratteristica unica dello studio, Qiu et al. sondato le strutture di banda quasiparticella (QP) in funzione della tensione di gate.
Il bandgap ottico (Eopt) è rimasto quasi costante a tutte le tensioni di gate in contrasto con la riduzione monotona di Eg, in accordo con precedenti studi sperimentali. Per verificare questo, hanno eseguito misurazioni di fotoluminescenza del monostrato ReSe 2 Campione di /grafene/h-BN a diverse tensioni di gate a temperatura ambiente (TA). Gli spettri di fotoluminescenza dipendenti dal gate hanno rivelato un Eopt quasi costante di ReSe . monostrato 2 .
Gli scienziati hanno quindi determinato l'energia di legame degli eccitoni e ne hanno ricavato un grande, rinormalizzazione del bandgap sintonizzabile su gate per ReSe 2 nel dispositivo ibrido. Hanno cercato le origini fisiche della rinormalizzazione del bandgap QP sintonizzabile con il gate e dell'energia di legame degli eccitoni nel monostrato ReSe 2 escludendo i contributi delle funzioni d'onda di polarizzazione indotte dal campo fuori piano e sostanziato la loro origine da portatori liberi indotti da gate nel grafene. I risultati teorici dello studio hanno anche mostrato che un moderato doping nel grafene potrebbe ridurre sostanzialmente l'energia di legame degli eccitoni (Eb) di centinaia di milli-elettronvolt all'aumentare della concentrazione di trasportatore libero nel grafene. Inoltre, Qiu et al. confrontato direttamente la teoria con i loro risultati sperimentali.
In questo modo, Zhizhan Qiu e collaboratori hanno adattato con successo il bandgap QP e l'energia di legame degli eccitoni in un semiconduttore 2-D controllando il drogaggio del grafene sottostante con gating elettrostatico. I risultati hanno mostrato che lo screening da un substrato di grafene ha avuto un profondo impatto sulle interazioni di Coulomb che portano a un'ampia sintonizzabilità del gap di banda elettronico e all'energia di legame degli eccitoni. I risultati hanno rivelato la fisica a molti elettroni nei semiconduttori 2-D ibridi o nei sistemi di grafene. Il lavoro aprirà la strada al controllo degli effetti eccitonici e alla messa a punto precisa delle energie di legame degli eccitoni nei semiconduttori 2-D per una varietà di applicazioni tecniche.
Calcolo di Eb in ReSe2 monostrato in funzione della densità del portatore nel substrato di grafene. Energia di legame degli eccitoni (Eb) e raggio di schermatura Thomas-Fermi (rs) in funzione della concentrazione di elettroni (n) nel grafene. (A) Il Mib dipendente dalla portante per
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