Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL), Afdeling materiaalwetenschap en technologie, hebben aangetoond dat de intensiteit en spectrale samenstelling van de fotoluminescentie die wordt uitgezonden door een enkele monolaag van wolfraamdisulfide (WS2) ruimtelijk kan worden gecontroleerd door de polarisatiedomeinen in een aangrenzende film van het ferro-elektrische materiaal loodzirkoniumtitanaat (PZT).

Deze domeinen zijn geschreven in de PZT met behulp van een geleidende atoomkrachtmicroscoop, en de fotoluminescentie (PL) wordt gemeten in lucht bij kamertemperatuur. Omdat de wandbreedte van het polarisatiedomein in een ferro-elektrische zo laag kan zijn als 1-10 nm, deze benadering maakt ruimtelijke modulatie van PL-intensiteit en de bijbehorende dragerpopulaties mogelijk met potentieel voor resolutie op nanoschaal.

Enkelvoudige monolaag overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) zoals WS2 vertonen opvallende optische eigenschappen vanwege hun directe bandafstand. De diëlektrische afscherming is zeer laag vanwege hun tweedimensionale (2D) karakter, en dus worden hun eigenschappen sterk beïnvloed door hun directe omgeving, en kan worden gewijzigd en gecontroleerd door variaties in lokale ladingsdichtheid als gevolg van adsorbaten of elektrostatische poorten. Dit heeft geleid tot een grote belangstelling voor een breed scala aan elektronische en optische apparaattoepassingen.

De NRL-wetenschapper gebruikte een geleidende atoomkrachtmicroscoop om polarisatiedomeinen in een PZT-film in een dambordpatroon te schrijven. In elk domein, de polarisatiedipool wijst ofwel omhoog uit het oppervlaktevlak of omlaag in het oppervlaktevlak, en produceert positieve of negatieve lading op het PZT-oppervlak, respectievelijk. Het team bracht vervolgens de monolaag WS2 die ze hadden laten groeien door middel van chemische dampafzettingstechnieken over op de PZT-film.

Ze ontdekten dat de PL-intensiteit van de WS2 alleen hoog is vanuit de gebieden boven domeinen in de PZT waar de polarisatiedipool uit het oppervlaktevlak wijst, zoals weergegeven in de afbeelding hiernaast. Verdere analyse onthulde dat de spectrale samenstelling van de PL ook sterk werd beïnvloed - de spectra van de "up"-domeinen werden gedomineerd door neutrale excitonbijdragen (een gebonden toestand van een elektron en een gat dat voortkomt uit Coulomb-interactie), terwijl die van de "down" domeinen werden gedomineerd door negatief geladen exciton, of trion, bijdragen (een exciton met een extra elektron).

"Door deze hybride 2D/3-D ferro-elektrische heterostructuren te vervaardigen, kan men doelbewust aangrenzende populaties van trions en neutrale excitonen ontwerpen en moduleren, het creëren van laterale domeinen in elke geometrie naar keuze", merkt Dr. Berend Jonker op, senior wetenschapper en hoofdonderzoeker. Dr. Connie Li, hoofdauteur van de studie, wijst er verder op:"Omdat de FE-domeinen kunnen worden herschreven met een atoomkrachtmicroscoop en niet-vluchtig zijn, dit maakt ruimtelijke modulatie van de TMD-eigenschappen mogelijk met resolutie op nanometerschaal."

De uitbetaling omvat de ontwikkeling van TMD-materialen en hybride 2D/3-D heterostructuren met nieuwe functionaliteit die relevant is voor de DoD-missie, inclusief ultra-low power elektronica, niet-vluchtig optisch geheugen en kwantumberekening voor toekomstige DoD-toepassingen in informatieverwerking en -detectie.