Optica-onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas hebben voor het eerst aangetoond dat een nieuwe methode voor het vervaardigen van ultradunne halfgeleiders materiaal oplevert waarin excitonen tot 100 keer langer overleven dan in materialen die met eerdere methoden zijn gemaakt.

De bevindingen laten zien dat excitonen, quasideeltjes die energie transporteren, lang genoeg meegaan voor een breed scala aan potentiële toepassingen, waaronder als bits in kwantumcomputers.

Dr. Anton Malko, hoogleraar natuurkunde aan de School of Natural Sciences and Mathematics, is corresponderend auteur van een artikel dat op 30 maart online is gepubliceerd in Advanced Materials dat beschrijft tests op ultradunne halfgeleiders gemaakt met een recent ontwikkelde methode genaamd laser-assisted synthesetechniek (LAST). De bevindingen tonen nieuwe kwantumfysica aan het werk.

Halfgeleiders zijn een klasse van kristallijne vaste stoffen waarvan de elektrische geleidbaarheid tussen die van een geleider en een isolator ligt. Deze geleidbaarheid kan extern worden geregeld, hetzij door doping of elektrische poorten, waardoor ze essentiële elementen worden voor de diodes en transistors die ten grondslag liggen aan alle moderne elektronische technologie.

Tweedimensionale overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) zijn een nieuw type ultradunne halfgeleider bestaande uit een overgangsmetaal en een chalcogeenelement gerangschikt in één atomaire laag. Hoewel TMD's al een decennium of zo worden onderzocht, heeft de 2D-vorm die Malko heeft onderzocht voordelen op het gebied van schaalbaarheid en opto-elektronische eigenschappen.

"LAST is een zeer pure methode. Je neemt puur molybdeen of wolfraam en puur selenium of zwavel en verdampt ze onder intens laserlicht," zei Malko. "Die atomen zijn verdeeld over een substraat en maken de tweedimensionale TMD-laag minder dan 1 nanometer dik."

De optische eigenschappen van een materiaal worden gedeeltelijk bepaald door het gedrag van excitonen, dit zijn quasideeltjes die energie kunnen transporteren terwijl ze elektrisch neutraal blijven.

"Wanneer een halfgeleider een foton absorbeert, creëert het in de halfgeleider een negatief geladen elektron gepaard met een positief gat, om de neutrale lading te behouden. Dit paar is het exciton. De twee delen zijn niet volledig vrij van elkaar - ze hebben nog steeds een Coulomb interactie tussen hen," zei Malko.

Malko en zijn team waren verrast toen ze ontdekten dat excitonen in LAST-geproduceerde TMD's tot 100 keer langer meegaan dan die in andere TMD-materialen.

"We ontdekten al snel dat deze 2D-samples zich optisch gezien totaal anders gedragen dan we in 10 jaar met TMD's hebben gezien", zei hij. "Toen we er dieper naar gingen kijken, realiseerden we ons dat het geen toevalstreffer is; het is herhaalbaar en afhankelijk van de groeiomstandigheden."

Deze langere levensduur wordt volgens Malko veroorzaakt door indirecte excitonen, die optisch inactief zijn.

"Deze excitonen worden gebruikt als een soort reservoir om de optisch actieve excitonen langzaam te voeden," zei hij.

Hoofdonderzoeksauteur Dr. Navendu Mondal, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de UT Dallas en nu een Marie Skłodowska-Curie Individual Fellow aan het Imperial College London, zei dat hij gelooft dat de indirecte excitonen bestaan ​​als gevolg van de abnormale hoeveelheid spanning tussen het monolaag TMD-materiaal en de substraat waarop het groeit.

"Strain-controlling in atomair dunne monolaag van TMD's is een belangrijk hulpmiddel om hun opto-elektronische eigenschappen aan te passen," zei Mondal. "Hun elektronische bandstructuur is zeer gevoelig voor structurele vervormingen. Onder voldoende spanning veroorzaken band-gap-modificaties de vorming van verschillende indirecte 'donkere' excitonen die optisch inactief zijn. Door deze bevinding onthullen we hoe de aanwezigheid van deze verborgen donkere excitonen invloed heeft die excitonen die rechtstreeks door fotonen zijn gemaakt."

Malko zei dat de ingebouwde spanning in 2D TMD's vergelijkbaar is met wat zou worden veroorzaakt door op het materiaal te drukken met extern geplaatste pilaren van micro- of nanoformaat, hoewel het geen haalbare technologische optie is voor dergelijke dunne lagen.

"Die stam is cruciaal voor het creëren van deze optisch inactieve, indirecte excitonen," zei hij. "Als je het substraat verwijdert, komt de spanning vrij en is deze prachtige optische respons verdwenen."

Malko zei dat de indirecte excitonen zowel elektronisch kunnen worden bestuurd als omgezet in fotonen, wat de weg vrijmaakt voor de ontwikkeling van nieuwe opto-elektronische apparaten.

"Deze langere levensduur heeft zeer interessante potentiële toepassingen", zei hij. "Als een exciton een levensduur heeft van slechts ongeveer 100 picoseconden of minder, is er geen tijd om het te gebruiken. Maar in dit materiaal kunnen we een reservoir van inactieve excitonen creëren die veel langer leven - een paar nanoseconden in plaats van honderden picoseconden. Je kunt hier veel mee."

Malko zei dat de resultaten van het onderzoek een belangrijk proof-of-concept zijn voor toekomstige apparaten op kwantumschaal.

"Het is de eerste keer dat we weten dat iemand deze fundamentele observatie heeft gedaan van zulke langlevende excitaties in TMD-materialen - lang genoeg om bruikbaar te zijn als een kwantumbit - net als een elektron in een transistor of zelfs alleen voor het oogsten van licht in een zonnecel," zei hij. "Niets in de literatuur kan deze superlange levensduur van excitonen verklaren, maar we begrijpen nu waarom ze deze kenmerken hebben."

De onderzoekers zullen vervolgens proberen om excitonen te manipuleren met een elektrisch veld, wat een belangrijke stap is in de richting van het creëren van logische elementen op kwantumniveau.

"Klassieke halfgeleiders zijn al tot aan de deur geminiaturiseerd voordat kwantumeffecten het spel volledig veranderen", zei Malko. "Als je poortspanning kunt toepassen en kunt laten zien dat 2D TMD-materialen zullen werken voor toekomstige elektronische apparaten, is dat een enorme stap. De atomaire monolaag in 2D TMD-materiaal is 10 keer kleiner dan de maximale grootte met silicium. Maar kun je logische elementen maken op die maat? Dat moeten we uitzoeken." + Verder verkennen

Atomair dunne halfgeleiders voor nanofotonica