Sinds de ontdekking in 2014, fosforeen - een laag fosforatomen van slechts één atoom dik - heeft wetenschappers geïntrigeerd vanwege zijn unieke opto-elektronische anisotropie. Met andere woorden, elektronen interageren met licht en bewegen slechts in één richting. Deze anisotropie betekent dat ondanks dat het tweedimensionaal is (2-D), fosforeen vertoont een mix van eigenschappen die gevonden worden in zowel eendimensionale (1-D) als 2-D materialen. Wetenschappers zijn van mening dat de duidelijke quasi-1-D-aard van fosforeen kan worden benut om nieuwe, innovatieve opto-elektronische apparaten, van leds tot zonnecellen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Femtosecond Spectroscopy Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben licht geworpen op hoe excitonen - een aangeslagen toestand van materie in de kern van opto-elektronica - bewegen en interageren binnen fosforeen.

"Vanwege de anisotropie, excitonen gedragen zich op een werkelijk unieke manier in fosforeen in vergelijking met andere 2D-materialen, die we nog maar net beginnen te begrijpen, " zei Vivek Pareek, doctoraat student en eerste auteur van de studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Excitonen worden gevormd wanneer een materiaal een foton absorbeert, waardoor een elektron wordt geëxciteerd naar een hogere energietoestand. Dit laat een positief geladen "gat" achter waar het elektron zich in zijn oorspronkelijke energietoestand bevond, die wordt aangetrokken door het negatief geladen geëxciteerde elektron. Het resulterende gebonden elektron-gat-paar - het exciton - kan dan door het materiaal bewegen en interageren met andere excitonen.

Maar excitonen zijn van korte duur, en op tijd, geëxciteerde elektronen "vallen" terug in de gaten. Om dit te doen, excitonen kunnen ofwel een foton uitzenden - een proces dat stralingsrecombinatie wordt genoemd - of ze kunnen met elkaar botsen, het overbrengen van warmte naar het materiaal - een niet-stralingsrecombinatie die exciton-exciton-annihilatie wordt genoemd.

"Exciton-exciton interactie, of vernietiging, is heel anders in 1-D en 2D-systemen, " legde Pareek uit. "We kunnen daarom exciton-excitonannihilatie gebruiken als een hulpmiddel om de aard van interacties in quasi-1-D fosforeen te onderzoeken."

Fosforeen onderzoeken

De wetenschappers gebruikten een laser om twee lichtpulsen naar fosforeen te sturen - een pomppuls om de elektronen op te wekken om excitonen te vormen, en een sondepuls om de exciton-excitonannihilatie vast te leggen die plaatsvond tijdens de eerste honderd picoseconden (biljoensten van een seconde). Door het vermogen van de pomppuls te veranderen, de onderzoekers veranderden de initiële dichtheid van gevormde excitonen.

Het team ontdekte dat naarmate de excitondichtheid toenam, exciton-exciton annihilatie veranderde in dimensie, verschuiven van 1D naar 2D. De onderzoekers laten zien dat deze dimensionale verschuiving plaatsvond vanwege de anisotrope eigenschappen van fosforeen, die ontstaan ​​door de ongebruikelijke structuur van het materiaal. Deze anisotropie zorgt ervoor dat excitonen sneller in een bepaalde richting langs het rooster bewegen en langzamer in de andere richting. Daarom, bij lage excitondichtheden, interacties tussen excitonen vonden voornamelijk plaats in één dimensie - langs de meer gunstige richting. Maar toen de excitondichtheid toenam, resulterend in kleinere afstanden tussen excitonen, interacties begonnen op te treden in beide dimensies.

De wetenschappers onderzochten ook het effect van temperatuur op de vernietiging van exciton-excitonen. Toen het team de fosforeenvlokken afkoelde, exciton-exciton annihilatie teruggezet van 2-D naar 1-D, zelfs bij hoge excitondichtheden.

"Deze studie laat zien dat we kunnen controleren of exciton-exciton-annihilatie plaatsvindt in één of twee dimensies, afhankelijk van de voorwaarden die we stellen, " zei Dr. Julien Madeo, OIST-stafwetenschapper en co-auteur van de studie. "Dit onthult een nieuwe, interessante eigenschap van fosforeen, het verbeteren van zijn vooruitzichten als een nieuw materiaal in opto-elektronische apparaten."