Het einde van een tien jaar durende zoektocht inluidend, in een veelbelovende nieuwe klasse van extreem dunne, tweedimensionale halfgeleiders, wetenschappers hebben voor het eerst ongrijpbare deeltjes direct gevisualiseerd en gemeten, donkere excitonen genoemd, dat kan niet worden gezien door licht.

De krachtige techniek, beschreven in toonaangevend tijdschrift Wetenschap , zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het onderzoek naar tweedimensionale halfgeleiders en excitonen, met ingrijpende gevolgen voor toekomstige technologische apparaten, van zonnecellen en leds tot smartphones en lasers.

Excitonen zijn aangeslagen toestanden van materie die in halfgeleiders worden aangetroffen - een belangrijk ingrediënt in veel huidige technologieën. Ze ontstaan ​​wanneer elektronen in het halfgeleidermateriaal door licht worden geëxciteerd naar een hogere energietoestand, een "gat" achterlatend op het energieniveau waar het elektron eerder verbleef.

"Gaten zijn de afwezigheid van een elektron, en zo de tegenovergestelde lading naar een elektron dragen, " verklaarde senior auteur professor Keshav Dani, die de Femtosecond Spectroscopy Unit leidt aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Deze tegengestelde ladingen trekken aan, en elektronen en gaten binden zich aan elkaar om excitonen te vormen die vervolgens door het materiaal kunnen bewegen."

In reguliere halfgeleiders, excitonen worden gedoofd in minder dan een paar miljardsten van een seconde na de creatie. Bovendien, ze kunnen 'fragiel, " waardoor ze moeilijk te bestuderen en te manipuleren zijn. Maar ongeveer een decennium geleden, wetenschappers ontdekten tweedimensionale halfgeleiders, waar de excitonen robuuster zijn.

"Robuuste excitonen geven deze materialen echt unieke en opwindende eigenschappen, dus er zijn wereldwijd veel intense onderzoeken geweest om ze te gebruiken om nieuwe opto-elektronische apparaten te maken, " zei co-eerste auteur Dr. Julien Madéo, stafwetenschapper in de OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. "Maar op dit moment er is een grote beperking met de standaard experimentele techniek die wordt gebruikt om excitonen te meten."

Momenteel, onderzoekers gebruiken optische spectroscopietechnieken - in wezen meten welke golflengten van licht worden geabsorbeerd, gereflecteerd of uitgezonden door het halfgeleidermateriaal - om informatie over de energietoestanden van excitonen te ontdekken. Maar optische spectroscopie legt slechts een klein deel van het beeld vast.

Wetenschappers weten al lang dat slechts één type exciton, heldere excitonen genoemd, kan interageren met licht. Maar er zijn ook andere soorten excitonen, inclusief momentum-verboden donkere excitonen. In dit type donkere exciton, de elektronen hebben een ander momentum dan de gaten waaraan ze zijn gebonden, waardoor ze geen licht kunnen absorberen. Dit betekent ook dat elektronen in donkere excitonen een ander momentum hebben dan de elektronen in heldere excitonen.

"We weten dat ze bestaan, maar we kunnen ze niet direct zien, we kunnen ze niet rechtstreeks onderzoeken, en daarom weten we niet hoe belangrijk ze zijn, of hoeveel ze de opto-elektronische eigenschappen van het materiaal beïnvloeden, " zei Dr. Madeo.

Licht schijnen op donkere excitonen

Om voor het eerst donkere excitonen te visualiseren, de wetenschappers wijzigden een krachtige techniek die voorheen grotendeels werd gebruikt om enkelvoudige, ongebonden elektronen.

"Het was niet duidelijk hoe deze techniek zou werken voor excitonen, dat zijn samengestelde deeltjes waarin de elektronen zijn gebonden. Er was veel theoretisch werk in de wetenschappelijke gemeenschap over de validiteit van deze benadering, " zei prof. Dani.

Hun methode stelde voor dat als een lichtstraal met fotonen met een voldoende hoge energie werd gebruikt om excitonen in het halfgeleidermateriaal te raken, de energie van de fotonen zou de excitonen uit elkaar halen en de elektronen zo uit het materiaal schoppen.

Door de richting te meten waarin de elektronen uit het materiaal vliegen, de wetenschappers zouden dan het initiële momentum van de elektronen kunnen bepalen wanneer ze deel uitmaakten van excitonen. De wetenschappers zouden daarom niet alleen kunnen zien, maar ook onderscheiden, de heldere excitonen van de donkere excitonen.

Maar het implementeren van deze nieuwe techniek vereiste het oplossen van een aantal enorme technische uitdagingen. De wetenschappers moesten lichtpulsen genereren met hoogenergetische extreem ultraviolette fotonen die de excitonen konden splitsen en de elektronen uit het materiaal konden schoppen. Het instrument moest toen de energie en de hoek van deze elektronen kunnen meten. Verder, omdat excitonen zo kort leven, het instrument moest werken op tijdschalen van minder dan duizend miljardste van een seconde. als laatste, het instrument vereiste ook een voldoende hoge ruimtelijke resolutie om de 2-D halfgeleidermonsters te meten, die doorgaans alleen beschikbaar zijn in micron-schaalgroottes.

"Toen we alle technische problemen hadden opgelost, en zette het instrument aan, eigenlijk waren er op ons scherm de excitons - het was echt geweldig, " zei co-eerste auteur Dr. Michael Man, ook van de OIST Femtosecond Spectroscopie Unit.

De onderzoekers zagen dat als voorspeld, er waren zowel heldere als donkere excitonen aanwezig in het halfgeleidermateriaal. Maar tot hun verbazing de wetenschappers ontdekten ook dat donkere excitonen het materiaal domineerden, die de heldere excitonen overtreffen. Het team merkte verder op dat onder bepaalde omstandigheden, terwijl de aangeslagen elektronen zich door het materiaal verspreidden en van momentum veranderden, de excitonen konden verschuiven tussen helder of donker.

"De dominantie van de donkere excitonen en het samenspel tussen de donkere en heldere excitonen suggereert dat donkere excitonen een nog grotere impact hebben op deze nieuwe klasse van halfgeleiders dan verwacht, " zei Dr. Madeo.

Deze techniek is een echte doorbraak, " concludeerde prof. Dani. "Het biedt niet alleen de eerste waarneming van donkere excitonen en verlicht hun eigenschappen, maar het luidt een nieuw tijdperk in in de studie van excitonen en andere opgewonden deeltjes."