Natuurkundigen van de National University of Singapore hebben nieuwe mid-infrarood anisotrope collectieve ladingsexcitaties ontdekt in quasi-metaalfase tweedimensionale (2-D) overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's).

Laag-dimensionale periodieke patroonstructuren, zoals 2-D gelaagde systemen of eendimensionale (1D) kettingstructuren in materiële systemen, vertonen intrigerende golfverschijnselen vanwege de interacties tussen de vele deeltjes in het systeem (veellichaamsinteracties). Deze laagdimensionale periodieke structuren resulteren in unieke materiaaleigenschappen die aanzienlijke onderzoeksinteresse hebben gegenereerd voor gebruik in verschillende apparaattoepassingen. Quasi-metaalfase 2-D-TMD's hebben een vervormde sandwichconfiguratie waarbij de overgangsmetaalatomen een 1D zigzagketenstructuur vormen (zie figuur). Deze 1D periodieke structuur geeft aanleiding tot unieke anisotrope materiaaleigenschappen die de elektronische eigenschappen van 2-D-TMD's aanzienlijk beïnvloeden.

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Andrew Wee van de afdeling Natuurkunde, NUS heeft direct nieuwe mid-infrarood plasmonen waargenomen in quasi-metaalfase monolaag wolfraamdiselenide (WSe ₂ ) en molybdeendisulfide (MoS ₂ ).

WSe ₂ en MoS ₂ hebben twee fasen, een quasi-metaalfase en een halfgeleidende fase. Dit fenomeen is alleen aanwezig in de quasi-metaalfase, maar afwezig in de halfgeleidende fase. Uit theoretische berekeningen met behulp van eerste principes blijkt dat deze plasmonen anisotroop van aard zijn. Dit betekent dat, terwijl ze aanwezig zijn in de richting loodrecht op de zigzag overgangsmetaalketen, ze planten zich niet voort langs de zigzagketen.

Door spectroscopische technieken met hoge resolutie te combineren met gedetailleerde analyse van de eerste beginselen, de Coulomb-interacties op lange afstand tussen de zigzagketens zijn geïdentificeerd als het belangrijkste mechanisme dat deze 1-D collectieve excitatie aandrijft. Het onderzoeksteam postuleerde ook een mogelijke relatie tussen de waargenomen plasmonexcitaties en het onconventionele supergeleidende mechanisme in quasi-metallische fase 2-D-TMD's.

Dr. Yin Xinmao, een onderzoeksmedewerker in het team, zei, "De quasi-metalen fase 2-D-TMD's bestaan ​​uit 1D zigzag metalen kettingen die periodiek langs een enkele as zijn gestapeld, wat aanleiding geeft tot unieke elektronische en opto-elektronische eigenschappen. Deze bevinding door het team van de mid-infrarode plasmonen opent mogelijk nieuwe manieren om plasmonen te exploiteren in wetenschappelijke en technische toepassingen, aangezien plasmonen in typische metalen meestal alleen in het ultraviolette bereik worden gevonden."

Prof Wee heeft toegevoegd, "Het is belangrijk om deze collectieve ladingsmodi in 2-D-ketensystemen te bestuderen voor de ontwikkeling van toepassingen van de volgende generatie. Deze variëren van veldeffecttransistors tot fotodetectoren en andere opto-elektronische apparaten."

Het team is van plan om dergelijke nieuwe collectieve excitaties in andere laagdimensionale periodieke structuren verder te onderzoeken, in de hoop meer inzicht te krijgen in de onconventionele supergeleiding.