Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft lichtemissie waargenomen van een nieuw type overgang tussen elektronische valleien, zogenaamde interval-transmissies.

Het onderzoek biedt een nieuwe manier om vallei-informatie uit te lezen, mogelijk leidend tot nieuwe soorten apparaten.

De huidige halfgeleidertechnologie maakt gebruik van elektronische lading of spin om informatie op te slaan en te verwerken; de bijbehorende technologieën worden elektronica en spintronica genoemd, respectievelijk. Sommige halfgeleiders bevatten lokale energiedalen in hun elektronenbandstructuur die kunnen worden gebruikt om te coderen, Verwerken, en informatie opslaan, waardoor een nieuw soort technologie ontstond, genaamd valleytronics.

"Valleytronics biedt een alternatieve route om informatiesystemen te ontwikkelen naast de conventionele elektronica en spintronica, " zei Chun Hung "Joshua" Lui, een assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan UC Riverside, die het onderzoek leidde naar intervalley-overgangen in monolaag wolfraamdiselenide (WSe ₂ ). "Ons nieuwe werk kan de ontwikkeling van valleytronics versnellen."

Monolaag WSe ₂ is een veelbelovend valleytronic-materiaal omdat het twee valleien met tegengestelde dynamische eigenschappen in de bandstructuur bezit. Bovendien, dit materiaal kan sterk interageren met licht, veelbelovend voor optisch regelbare valleytronic-toepassingen.

Excitaties

Wanneer monolaag WSe ₂ absorbeert een foton, een gebonden elektron kan worden bevrijd in een dal, een elektronenleegte achterlatend, of gat. Omdat het gat zich gedraagt ​​als een elektron met positieve lading, het elektron en het gat kunnen elkaar aantrekken om een ​​gebonden toestand te vormen die een exciton wordt genoemd. Zo'n exciton, met zowel zijn elektron als gat in dezelfde vallei, wordt een intravalley-exciton genoemd. Het huidige excitononderzoek in monolaagse halfgeleiders richt zich voornamelijk op intravalley-excitonen, die licht kan uitstralen.

Een elektron en een gat in tegenoverliggende valleien kunnen ook een exciton vormen, een intervalley-exciton genoemd, wat een nieuw onderdeel is in valleytronics. De wet van behoud van impuls, echter, verbiedt een elektron en een gat in tegenoverliggende valleien om rechtstreeks te recombineren om licht uit te stralen. Als resultaat, intervalley-excitonen zijn "donker" en verborgen in het optische spectrum.

Het door UCR geleide onderzoeksteam heeft nu lichtemissie waargenomen van intervalley-excitonen in monolaag WSe ₂ . Het team ontdekte dat hoewel de intervalley-excitonen intrinsiek donker zijn, ze kunnen een aanzienlijke hoeveelheid licht uitstralen met behulp van defecten of roostertrillingen in het materiaal.

"De verstrooiing met defecten of roostertrillingen kan compenseren voor de momentummismatch tussen een elektron en een gat in tegenovergestelde valleien, "Zei Lui. "Het stelt ons in staat om de lichtemissie van intervalley-excitonen te observeren."

"Hoewel het proces verstrooiing met defecten of roostertrillingen omvat, de intervallichtemissie is circulair gepolariseerd, " zei Erfu Liu, een postdoctoraal onderzoeker in Lui's lab en de eerste auteur van het onderzoekspaper. "Een dergelijke circulaire lichtpolarisatie stelt ons in staat om de exciton-valleiconfiguratie te identificeren. Deze optisch leesbare vallei-configuratie is cruciaal om intervalley-excitons bruikbaar te maken voor valleytronic-toepassingen."

Trions

Naast de excitonen, monolaag WSe ₂ herbergt ook trions, die bestaan ​​uit twee elektronen en één gat of twee gaten en één elektron. Trions hebben ook goed gedefinieerde valleiconfiguraties voor valleytronic-toepassingen. Vergeleken met de ladingsneutrale excitonen, de beweging van trions kan worden gecontroleerd door een elektrisch veld vanwege hun netto elektrische lading.

Een trion kan over het algemeen langs twee wegen vervallen. Bijvoorbeeld, voor een trion bestaande uit een intravallei elektron-gat paar en een gat in de tegenovergestelde vallei om te vervallen, het elektron kan ervoor kiezen om te recombineren met het gat in dezelfde vallei of met het gat in de tegenoverliggende vallei. Dit geeft aanleiding tot twee verschillende trion-vervalpaden met intravalley en intervalley elektron-gat recombinatie. Het intravalley trion-verval is veel bestudeerd, maar het verval van trionen met interval is tot nu toe niet gerapporteerd.

Het door UCR geleide team heeft voor het eerst intervalley trion-verval laten zien.

"Hoewel een trion kan vervallen door intravalley of intervalley verval, de twee overgangen hebben dezelfde energie en zijn in het optische spectrum nauwelijks te onderscheiden, " zei Lui. "Maar wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, de energieën van de intravalley- en intervalley-overgangen zullen anders worden."

Het team voerde de experimenten uit in het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida. Ze tonen zowel de intravalley- als intervalley-vervalpaden van de trions.

"Onze resultaten geven een completer, multipath-beeld van trion-dynamiek in monolaag WSe ₂ , zei Jeremia van Baren, een afgestudeerde student in Lui's lab, die gelijk auteurschap deelt met Liu. "Ze bouwen voort op de bestaande enkelvoudige beschrijving van trions in 2D-materialen en zijn de sleutel tot het bevorderen van op trion gebaseerde valleytronic-wetenschap en -technologie."

Het onderzoeksrapport, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , is getiteld "Multipath optische recombinatie van intervalley donkere excitonen en trions in monolaag WSe" ₂ ." Gerelateerde resultaten werden onlangs gerapporteerd door twee andere onderzoeksteams onder leiding van wetenschappers van het Rensselaer Polytechnic Institute en de Universiteit van Washington.