Tweedimensionale (2D) halfgeleiders kunnen een rijke reeks excitonische soorten herbergen vanwege de sterk verbeterde Coulomb-interacties. De excitonische toestanden kunnen grote oscillatorsterkten en sterke interacties tussen licht en materie vertonen, en domineren de optische eigenschappen van 2D-halfgeleiders. In aanvulling, vanwege de lage dimensionaliteit, excitonische dynamiek van 2D-halfgeleiders kan gevoeliger zijn voor verschillende externe stimuli, verrijking van de mogelijke op maat gemaakte methoden die kunnen worden benut.

Het begrijpen van de factoren die de dynamiek van de optisch gegenereerde aangeslagen toestanden kunnen beïnvloeden, is een belangrijk aspect van de excitonische fysica in 2D-halfgeleiders, en is ook cruciaal voor praktische toepassing, aangezien de levensduur van de aangeslagen toestand is gekoppeld aan de belangrijkste verdiensten van meerdere opto-elektronische en fotonische apparaten. Hoewel er bepaalde ervaringen zijn opgedaan met bulkhalfgeleiders, de atomaire aard van 2D-halfgeleiders maakt deze benaderingen mogelijk minder effectief of moeilijk aan te passen. Anderzijds, de unieke eigenschappen van 2D-halfgeleiders, zoals de robuuste excitonische toestanden, de gevoeligheid voor externe omgevingsfactoren en flexibiliteit bij het construeren van vdW heterostructuren, beloven modulatiestrategieën die verschillen van conventionele materialen.

In een nieuw overzichtsartikel gepubliceerd in Licht:Wetenschap &Toepassingen, een team van onderzoekers, onder leiding van professor Fengqiu Wang van de Nanjing University, China vat de tot nu toe verkregen kennis en vorderingen samen met de modulatie van de relaxatiedynamiek van fotodragers in 2D-halfgeleiders. Na een korte samenvatting van de relaxatiedynamiek van fotodragers in 2D-halfgeleiders, de auteurs bespreken eerst de modulatie van Coulomb-interacties en de resulterende effecten op de voorbijgaande eigenschappen. De Coulomb-interacties in 2D-halfgeleiders kunnen worden gemoduleerd door extra afscherming van de externe diëlektrische omgeving of geïnjecteerde ladingsdragers te introduceren, wat leidt tot de modificatie van quasi-deeltjesbandgaps en de excitonbindingsenergie. Vervolgens worden de beïnvloedende factoren op de dynamiek van fotodragers en de manipulatiemethoden besproken volgens de relaxatieroutes of mechanismen waarmee ze geassocieerd zijn.

De eerste besproken factor is de initiële verdeling van fotodragers in elektronische bandstructuren, die hun vervalprocessen kunnen beïnvloeden door verschillende beschikbare ontspanningspaden in de energie- en momentumruimte mogelijk te maken. Daarna worden defect-geassisteerde en fonon-geassisteerde relaxatie besproken. Hoewel de benaderingen die gebruikmaken van door defecten ondersteunde relaxatie, zoals ionenbombardement en inkapseling, vergelijkbaar zijn met die voor bulkhalfgeleiders, de modulatie op fonon-geassisteerde relaxatie voor 2D-halfgeleiders kan anders zijn.

"Aan de ene kant, de koppeling tussen ladingsdragers en fononen kan worden verbeterd door de onderdrukte diëlektrische afscherming; anderzijds, de hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding maken 2D-materialen gevoeliger voor de externe klankomgeving." Bovendien, de flexibiliteit bij het construeren van vdW-heterostructuren en de ultrasnelle ladingsoverdracht over de interfaces maakt het mogelijk om de dynamiek van de fotodrager aan te passen door middel van banduitlijningstechniek.

De overgang tussen verschillende deeltjessoorten biedt ook de mogelijkheid om te moduleren door de verhoudingen tussen verschillende quasideeltjes te veranderen, die het relatieve deel van verschillende ontspanningsroutes kan wijzigen, en dus de voorbijgaande optische reacties van het hele monster. Eindelijk, de modulatie van de dynamiek van spin/valleipolarisatie in 2D TMD's wordt besproken, en de discussie spitst zich vooral toe op de methoden om de levensduur van de spin/valley-polarisatie te verlengen.

Door deze recensie, de auteurs willen richtlijnen bieden voor het ontwikkelen van robuuste methoden om het relaxatiegedrag van de fotodrager af te stemmen en het fysieke begrip van dit fundamentele proces in 2D-halfgeleiders te versterken. Zoals de auteurs tot slot opmerken, "Er zijn nog steeds enorme onderzoeksinspanningen nodig voor zowel fundamenteel begrip als praktische modulatie van de relaxatie van de fotodrager in 2D-halfgeleiders."