I ricercatori di Valleytronics hanno sviluppato materiale 2D che migliora notevolmente l'utilità delle particelle eccitanti. Credito:Nano Research, Tsinghua University Press
Il campo emergente della Valleytronics, che sfrutta la preferenza di quantità di moto degli elettroni eccitati, o eccitoni, in una varietà di dispositivi optoelettronici, è strettamente legato alla fabbricazione di nuovi materiali 2D spessi solo atomi. Questo mese, un gruppo di ricercatori di Valleytronics della Central South University di Changsha, in Cina, ha sviluppato uno di questi materiali 2D che migliora significativamente l'utilità di queste particelle eccitanti.
I dettagli della sua fabbricazione e una delucidazione delle sue proprietà sono descritti nella rivista Nano Research .
Nel regno della scienza dei materiali, il termine materiali 2D si riferisce a solidi che sono spessi solo uno strato di atomi. Questi sono interessanti non solo perché sono molto piccoli, ma perché emergono nuove proprietà fisiche quando un materiale viene assottigliato fino a questo strato atomico. Forse il materiale 2D più famoso è il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, che ha alcune proprietà sorprendenti molto diverse da altre forme che il carbonio assume quando si presenta sfuso (o più formalmente, 'cristallo sfuso'), incluso il fatto di essere circa 200 volte più forte dell'acciaio.
Ma ci sono centinaia di altri tipi di materiali 2D, che offrono ancora una volta proprietà molto diverse rispetto alla loro forma cristallina. Uno di questi materiali 2D, il dichalcogenuro del metallo di transizione, o TMD, è di particolare interesse nel mondo dell'optoelettronica, la scienza e la tecnologia dei dispositivi emettitori di luce e di rilevamento della luce. Alla base di tutti i dispositivi optoelettronici c'è l'effetto fotovoltaico, o la generazione di corrente elettrica in un materiale quando viene colpito da un raggio di luce, come in una cella fotovoltaica in un pannello solare, e nella sua forma inversa, la produzione di luce da segnali elettrici.
Tale tecnologia dipende da materiali che sono semiconduttori. Per usare ancora l'esempio della cella FV, quando la luce colpisce un semiconduttore, questa energia è sufficiente per eccitare gli elettroni per saltare un "band gap" dal livello di valenza di un atomo al suo livello di conduzione, dove questi elettroni eccitati, o più semplicemente eccitoni, ora possono fluire liberamente in una corrente elettrica. In effetti, la luce è stata trasformata in energia elettrica attraverso questa speciale proprietà del gap di banda dei semiconduttori. Questa stessa proprietà del gap di banda è ciò che consente ai transistor, realizzati in materiale semiconduttore come il silicio, di agire come interruttori di accensione/spegnimento utilizzati per memorizzare i dati sotto forma di uno e zero, o "bit" nei computer.
Il materiale 2D grafene, un semimetallo, non ha gap di banda. È un conduttore, non un semiconduttore. Singoli strati ("monostrati") di TMD, costituiti da un atomo di metallo di transizione come molibdeno o tungsteno legato a un atomo della stessa colonna sulla tavola periodica dell'ossigeno (i calcogeni), come zolfo, selenio o tellurio, tuttavia avere un gap di banda. Ciò rende i TMD molto interessanti per la fabbricazione di transistor e altri dispositivi optoelettronici.
Proprio come il monostrato di un materiale ha proprietà diverse dallo stesso materiale in forma cristallina sfusa, i materiali 2D con uno spessore di due o tre strati (a doppio strato o tristrato) possono avere proprietà diverse di nuovo rispetto allo stesso materiale in forma di monostrato. E un materiale 2D multistrato composto da strati di due o più materiali diversi è chiamato eterostruttura, che godrà di ancora più differenze nelle sue proprietà.
A rigor di termini, il termine eccitone si riferisce sia all'elettrone che allo spazio vuoto o "buco" che lascia ma al quale rimane attratto e quindi legato:una coppia elettrone-lacuna. Poiché l'elettrone ha una carica negativa, si può dire che il buco dell'elettrone ha una carica positiva. Combinata, la coppia elettrone-lacuna, o eccitone, è una "quasiparticella" elettricamente neutra.
Gli eccitoni nei materiali 2D favoriscono anche uno dei due stati di quantità di moto, a seconda della polarizzazione della luce che li ha eccitati. Questi momenti favoriti sono spesso conosciuti come "valli", poiché ci vuole molta energia per spostare un eccitone da uno stato di momento favorito all'altro.
Questa natura binaria on/off di tali valli di eccitoni offre potenzialmente un nuovo modo per memorizzare un po' ed eseguire operazioni logiche. Il campo emergente della "valleytronics", che indaga su questo fenomeno, è esploso negli ultimi anni a causa della gamma di potenziali applicazioni, tra cui operazioni logiche incredibilmente veloci e, forse un giorno, calcolo quantistico a temperatura ambiente di piccole dimensioni.
Tipicamente, gli eccitoni esistono all'interno di uno strato di materiale 2D, un eccitone intrastrato. Ma esiste anche un tipo di eccitone interstrato esotico, uno che esiste tra due monostrati, con l'elettrone e il buco situati in strati diversi. Questi stessi eccitoni interstrati hanno varie proprietà nuove e allettanti, tra cui durate significativamente più lunghe rispetto alle loro controparti intrastrato, ampliando le applicazioni nei dispositivi a eccitoni a lunga durata.
Negli ultimi anni i doppi strati di TMD sono diventati particolarmente attraenti per i ricercatori di optoelettronica perché sono particolarmente bravi a ospitare questi eccitoni interstrati.
Ma i ricercatori della Central South University pensavano di poter fare uno strato migliore.
"La maggior parte degli studi sugli eccitoni TMD sono ossessionati da eterostrutture composte da due diversi TMD monostrato", ha affermato Yanping Liu, fisico e ingegnere specializzato in valtronica e corrispondente autore dell'articolo. "Ma il nostro interesse era la progettazione di un'eterostruttura a tre strati con allineamento di banda di tipo II."
Rispetto alle eterostrutture TMD a doppio strato con allineamento di banda di tipo II, l'allineamento di banda di tipo II a tre strati offre in linea di principio una gamma di miglioramenti dell'efficienza e gli eccitoni interstrato dovrebbero godere di una durata ancora più lunga, aumentando il potenziale applicativo dei TMD in dispositivi come i fotorilevatori , diodi emettitori di luce, laser e fotovoltaico. Ma fino ad ora, gli eccitoni interstrato erano stati osservati solo in eterostrutture TMD a doppio strato.
Il team è stato in grado di fabbricare un'eterostruttura TMD a tre strati (composta da molibdeno e zolfo, molibdeno e selenio, tungsteno e selenio), che hanno poi osservato utilizzando la spettroscopia di fotoluminescenza. Hanno confermato la presenza di eccitoni interstrato e descritto varie proprietà e requisiti del fenomeno.
Dopo aver fabbricato la nuova eterostruttura TMD, confermato l'esistenza degli eccitoni interstrato di lunga durata e proprietà e requisiti ampiamente catalogati, il team ora deve studiare più precisamente la gamma di potenziali applicazioni per il loro TMD nei dispositivi optoelettronici. + Esplora ulteriormente
