Credito:Rasmus Godriksen
Semiconduttori atomicamente sottili come il disolfuro di molibdeno e il disolfuro di tungsteno sono materiali promettenti per dispositivi fotonici su scala nanometrica. Questi semiconduttori approssimativamente 2D supportano i cosiddetti eccitoni, che sono coppie elettrone-lacuna legate, che possono allinearsi verticalmente lungo il piano sottile dei materiali.
Gli eccitoni sono coppie elettrone-lacuna legate che possono interagire con cariche elettriche, spin e fononi. Questa gamma di interazioni indica che gli eccitoni potrebbero annunciare una nuova ondata di dispositivi basati su fotonica e optoelettronica su scala nanometrica.
Per il suo dottorato di ricerca tesi, Rasmus Godiksen ha studiato il comportamento degli eccitoni in semiconduttori atomicamente sottili, concentrandosi sulla luce emessa, esplorando il potenziale degli eccitoni in semiconduttori ultrasottili come il disolfuro di molibdeno (MoS2 ) e disolfuro di tungsteno (WS2 ). I semiconduttori sono così sottili che possono essere approssimati come materiali 2D. Quindi, in effetti, Godiksen ha studiato gli eccitoni nei materiali 2D.
Sensibilità
In primo luogo, Godiksen e i suoi collaboratori hanno dimostrato che gli eccitoni 2D sono molto sensibili al loro ambiente nanoscopico. Utilizzando tecniche di imaging a fotoluminescenza (PL), hanno misurato le fluttuazioni della fluorescenza dovute al trasferimento di carica al semiconduttore. Tali fluttuazioni sono correlate spazialmente su decine di micrometri in WS2 monostrati su film metallici.
A causa delle fluttuazioni di carica degli stati trappola (che sono stati che intrappolano portatori eccitati come elettroni, lacune ed eccitoni), seguono le statistiche della legge di potenza con cambiamenti simultanei nell'intensità di emissione, nella durata e nei rapporti eccitone-trione. Le statistiche sulla legge di potenza sono un indicatore di cattura e detrapping degli eccitoni, quindi fornisce prove di stati intrappolati.
Grado di libertà della valle
Eccitoni in WS2 hanno anche un grado di libertà per quanto riguarda le valli, che accoppia la polarizzazione di spin alla direzione della quantità di moto. Le valli nella struttura della banda possono essere esplorate usando la luce polarizzata circolarmente. L'eccitazione o il rilevamento di un eccitone in una valle può essere utilizzato, ad esempio, nelle tecnologie dell'informazione.
Per spiegare il contrasto nella polarizzazione spin-valle in alcuni strati di WS2 e diseleniuro di tungsteno (WSe2 ), Godiksen ha utilizzato misurazioni PL polarizzate circolarmente dipendenti dallo strato e dalla temperatura. Ciò metteva in relazione le loro polarizzazioni contrastanti con un diverso momento dei loro minimi di banda di conduzione.
La dinamica complessiva della valle di spin è governata dalla durata dell'eccitone e della valle. L'emissione polarizzata della valle è determinata da durate in competizione:la durata dell'eccitone e la durata della valle. Diminuendo la durata dell'eccitone, è possibile aumentare l'emissione polarizzata della valle. Questo perché gli eccitoni si ricombinano ed emettono luce più velocemente di quanto non si disperdano nelle altre valli disponibili.
Modificando la distanza di un WS2 doppio strato a uno specchio, l'aumento dell'eccitazione aumenta l'annichilazione eccitone-eccitone con conseguente maggiore polarizzazione.
Nanorisonatori di silicio
Infine, Godiksen ha studiato l'uso della nanoantenna al silicio per migliorare ulteriormente l'interazione della luce polarizzata circolarmente con gli eccitoni polarizzati a valle. Ha mostrato che i nanodischi di silicio cristallino preservano la polarizzazione circolare della luce nel campo vicino come richiesto per un ulteriore miglioramento dell'emissione polarizzata a valle.
I risultati di Godiksen migliorano la comprensione delle interazioni degli eccitoni con cariche, spin e fotoni con implicazioni per una gamma di dispositivi nanofotonici che utilizzano semiconduttori atomicamente sottili.
Le sorgenti a fotone singolo sono interessanti per l'informatica quantistica, i sensori molecolari potrebbero aumentare la sensibilità fino al livello della singola molecola e i dispositivi valleytronic potrebbero aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi elettronici basati sulla polarizzazione della valle. + Esplora ulteriormente
