Struttura cristallina e struttura a bande di SiP2 stratificato . un , Struttura schematica a strati di SiP2 (PNMA , gruppo numero 62). x,y,z il sistema di coordinate è definito in base alla struttura cristallina, come mostrato nell'angolo in basso a sinistra. L'ombreggiatura blu evidenzia la PB –PB catene formate dalla PB atomi lungo la y direzione del reticolo cristallino, che svolgono un ruolo critico nella generazione di stati elettronici ed eccitonici quasi-1D. b –d , Vista dall'alto (b ) e trasversale (c ,d ) Immagini STEM–ADF di SiP2 visualizzato lungo il y asse (c ) e x asse (d ). I rettangoli tratteggiati verde e ciano rappresentano il reticolo periodico con ordine di impilamento ABAB di SiP2 strati. Barre di scala, 1 nm. e , Struttura elettronica a banda di SiP2 sfuso calcolato dal GW metodo. Il riquadro mostra il primo BZ di SiP 2 sfuso . SiP2 è un semiconduttore con una banda proibita indiretta di 2,14 eV. Il massimo della banda di valenza si trova nel punto Γ e il minimo della banda di conduzione si trova lungo la direzione Γ–Y. Lo stato minimo della banda di conduzione non contribuisce alla formazione dell'eccitone A a causa delle grandi energie di transizione interbanda diretta in questa posizione. f , Distribuzione della densità di carica del bordo della banda di conduzione (a sinistra) e del bordo della banda di valenza (a destra) nello spazio reale. L'isosuperficie del grafico è 0,02 e Å − 3 . Credito:Materiali naturali (2022). DOI:10.1038/s41563-022-01285-3
I ricercatori dell'Università di Nanchino e dell'Università Beihang in Cina e del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) ad Amburgo, in Germania, hanno prodotto una nuova classe di eccitoni con dimensionalità ibrida ingegnerizzando le proprietà del difosfuro di silicio stratificato (SiP₂) . Il loro lavoro è stato pubblicato su Nature Materials .
Gli eccitoni sono particelle legate costituite da un elettrone caricato negativamente e un buco elettronico caricato positivamente. Il loro comportamento esotico offre una nuova importante piattaforma per studiare la fisica dei materiali quando sono accoppiati ad altri stati della materia, come le vibrazioni del reticolo cristallino del materiale.
Utilizzando SiP₂, i ricercatori in Cina hanno fabbricato un nuovo tipo di materiale i cui strati 2D sono legati dalle forze di van der Waals e presentano forti interazioni covalenti interne. Ciò produce peculiari catene di fosforo unidimensionali lungo le quali gli stati elettronici possono localizzarsi. Il team è quindi riuscito a progettare un nuovo tipo di eccitone con dimensionalità ibrida in questo materiale stratificato, il che significa che l'elettrone ha un carattere 1D e la lacuna mostra caratteristiche 2D. Questa è la prima volta che si osserva un fenomeno del genere. I teorici dell'MPSD hanno confermato i risultati con simulazioni avanzate.
Esponendo il materiale alla luce laser, gli sperimentatori sono stati in grado di creare e successivamente sondare questi stati uscitanici, che appaiono come picchi negli spettri misurati. In particolare, l'emergere di un peculiare picco laterale al picco eccitonico principale negli spettri mostra una firma distinta degli eccitoni di dimensionalità ibrida:a causa della loro forte dipendenza dalla struttura interna del materiale, ci si aspetta che gli eccitoni appena creati interagiscano fortemente con altre eccitazioni materiali, come le vibrazioni del reticolo che alterano le catene di fosforo in SiP₂.
Il gruppo teorico dell'MPSD ha successivamente confermato questi risultati attraverso un'analisi approfondita, utilizzando metodi all'avanguardia per studiare le particelle eccitoniche. Le loro simulazioni mostrano che la particella è costituita da un buco caricato positivamente con carattere 2D e da un elettrone caricato negativamente che si localizza lungo le catene di fosforo unidimensionali, dando origine a eccitoni con dimensionalità mista.
I teorici hanno dimostrato che un tale eccitone interagisce fortemente con le vibrazioni del reticolo, che genera la caratteristica del picco laterale misurata sperimentalmente. Tale caratteristica è stata finora misurata solo in materiali a bassa dimensione come nanotubi di grafene o monostrati di dicalcogenuro di metalli di transizione, ma non in un materiale sfuso come SiP₂.
Questa collaborazione ha dimostrato l'esistenza di bande laterali eccitone-fonone in un cristallo 3D bulk, nonché stati eccitonici con dimensionalità ibrida. Con gli scienziati alla ricerca di nuovi modi per controllare e studiare le interazioni tra quasi-particelle come eccitoni, fononi e altri nei materiali solidi, questi risultati rappresentano un progresso importante.
"Il nostro approccio fornisce una piattaforma intrigante per studiare e progettare nuovi stati della materia come i trioni (due elettroni e una lacuna o viceversa) e particelle più complesse con dimensionalità ibrida", afferma il coautore Peizhe Tang, professore alla Beihang University e in visita scienziato presso l'MPSD.
Il collega coautore Lukas Windgätter, uno studente di dottorato nel gruppo Teoria dell'Istituto, aggiunge:"Per me è interessante il modo in cui si possono controllare le interazioni delle particelle attraverso i solidi ingegneristici. Soprattutto essere in grado di creare particelle composite con dimensionalità ibrida apre percorsi per indagare sulla nuova fisica". + Esplora ulteriormente
