I semiconduttori dicalcogenuro di metalli di transizione (TMD) sono materiali speciali che da tempo affascinano i ricercatori con le loro proprietà uniche. Innanzitutto, sono materiali bidimensionali (2D) piatti, spessi un atomo, simili a quelli del grafene. Sono composti che contengono diverse combinazioni del gruppo dei metalli di transizione (ad esempio molibdeno, tungsteno) ed elementi calcogeno (ad esempio zolfo, selenio, tellurio).

Ciò che è ancora più affascinante è che l’assemblaggio di diversi strati TMD in pile verticali crea un nuovo materiale artificiale chiamato eterostruttura di van der Waals (vdW). Incorporando materiali diversi, diventa possibile combinare le proprietà dei singoli strati, producendo nuovi dispositivi optoelettronici con proprietà su misura. Ciò apre la porta all'esplorazione della fisica fondamentale, come gli eccitoni interstrato, la twistronica e altro ancora.

Tuttavia, fino ad ora, nessuno scienziato ha studiato se il cambiamento dell’ordine di impilamento influisce sulle proprietà spettroscopiche di queste eterostrutture. Per molto tempo, la mancanza di comprensione delle eterostrutture TMD ha portato a un’ipotesi discutibile secondo cui l’alterazione dell’ordine di impilamento degli strati non influisce sulle loro proprietà. Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Communications .

Ciò è stato recentemente sfatato da un team di ricercatori del Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP), Institute for Basic Science (IBS) in Corea del Sud. Guidato dal professor LEE Young Hee, il gruppo ha scoperto che l'ordine sequenziale degli strati nelle eterostrutture influenza la generazione di "eccitoni oscuri" all'interno del materiale. Questa scoperta ha suggerito l'ulteriore importanza di considerare la dipendenza dell'ordine sequenziale di impilamento di questi materiali per un ulteriore utilizzo in applicazioni di dispositivi reali.

Gli eccitoni rappresentano un elettrone e una lacuna carica positivamente (una posizione in cui è assente un elettrone) legati insieme dall'attrazione elettrostatica in un materiale solido, tipicamente un cristallo semiconduttore. I semiconduttori TMD monostrato hanno un bandgap diretto e mostrano "eccitoni luminosi" otticamente accessibili. Allo stesso tempo, ci sono anche gli “eccitoni oscuri”, che sono difficili da studiare a causa della loro invisibilità. Tuttavia, i meccanismi sottostanti che danno origine a queste anomalie non sono completamente compresi.

I ricercatori dell'IBS hanno osservato un fenomeno notevole:l'emergere o la scomparsa di ulteriori picchi di fotoluminescenza (PL) basati su diverse sequenze di impilamento. È stato confermato che questo effetto precedentemente non riportato è riproducibile su più eterostrutture.

I ricercatori hanno attribuito l'origine di questi picchi aggiuntivi alla comparsa di eccitoni scuri situati esclusivamente nello strato superiore dell'eterostruttura, cosa che è ulteriormente confermata dalla microscopia a effetto tunnel (STM). I ricercatori si aspettano che questa proprietà possa essere utilizzata per gli interruttori di potenza ottica nei pannelli solari.

La dottoressa Riya Sebait, la prima autrice dello studio, ha affermato:"I nostri risultati sperimentali dimostrano chiaramente proprietà anomale dipendenti dalla sequenza di impilamento, che potrebbero potenzialmente aprire la strada a un nuovo campo di studio chiamato "fliptronica". Quando capovolgiamo o invertiamo l'eterostruttura, le bande subiscono una rinormalizzazione unica."

È necessaria un'interfaccia pulita e priva di residui per studiare le proprietà dipendenti sequenziali dell'impilamento. Questo studio rappresenta una svolta significativa poiché si trattava della prima volta. È stato dimostrato che l'alterazione dell'ordine sequenziale di impilamento nell'eterostruttura può portare a cambiamenti nelle sue proprietà fisiche.

I ricercatori hanno tentato di spiegare questo fenomeno indotto dall'inversione esaminando il modello microscopico a molte particelle, il che suggerisce che la tensione dipendente dallo strato potrebbe essere una possibile soluzione a questo enigma.

Supponendo che lo strato superiore diventi più deformato rispetto allo strato inferiore, i dati calcolati utilizzando il modello teorico mostrano un buon accordo con i risultati sperimentali. Ciò suggerisce che questo impilamento dipendente dalla sequenza richiede ulteriori studi, non solo per comprendere la fisica sottostante ma anche per le sue applicazioni su dispositivi reali.

Inoltre, questo studio facilita anche l'utilizzo di eccitoni oscuri privi di quantità di moto, poiché grazie alla rinormalizzazione della banda unica nell'eterostruttura, è possibile convertirli in eccitoni luminosi.

Il Prof. Young Hee Lee, l'autore principale e corrispondente, ha affermato:"Questo eccezionale fenomeno dell'emergenza di eccitoni oscuri nell'eterostruttura a doppio strato ispirerà altri ricercatori ad approfondire la comprensione e lo sfruttamento di queste straordinarie proprietà verso le applicazioni."

Questo lavoro è stato condotto in collaborazioni interdisciplinari con il Prof. Ermin Malic presso la Philipps-Universität Marburg, Germania, e il ricercatore Seok Jun Yun dell'Oak Ridge Laboratory, Stati Uniti.

Ulteriori informazioni: Riya Sebait et al, Modulazione degli eccitoni oscuri dipendente dall'ordine sequenziale nell'eterostruttura TMD bistrato, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41047-6

Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura

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