Wetenschap
Goede trillingen:Lasers met lage energie veroorzaken atomaire excitatie in halfgeleidermaterialen
Halfgeleiders vormen een hoeksteen van de technologie van de volgende generatie, dus een nieuwe methode om atomen in halfgeleidermaterialen te exciteren zal waarschijnlijk ook een breed scala aan onderzoekers en industrieën enthousiast maken.
Door gebruik te maken van intense en breedbandige ultrasnelle terahertz-pulsen hebben wetenschappers van de Yokohama National University en hun collega's van het California Institute of Technology atomaire excitatie aangetoond in een tweedimensionaal halfgeleidermateriaal, waardoor de ontwikkeling van elektronische apparaten wordt bevorderd.
Hun artikel werd op 19 maart gepubliceerd en verschijnt als Editor's Pick in het tijdschrift Applied Physics Letters .
Tweedimensionale (2D) materialen, of plaatachtige nanomaterialen, zijn veelbelovende platforms voor toekomstige halfgeleidertoepassingen vanwege hun unieke elektronische eigenschappen. Overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), een prominente groep 2D-materialen, bestaan uit lagen overgangsmetaalatomen ingeklemd tussen lagen chalcogeenatomen.
Deze atomen, gerangschikt in een roosterstructuur, kunnen trillen of oscilleren rond hun evenwichtsposities. Deze collectieve excitatie staat bekend als een coherent fonon en speelt een cruciale rol bij het bepalen en controleren van materiaaleigenschappen.
Traditioneel worden coherente fononen geïnduceerd door ultrakorte gepulseerde lasers in de zichtbare en nabij-infrarode gebieden. Methoden waarbij andere lichtbronnen worden gebruikt, blijven beperkt.
"Onze studie richt zich op de fundamentele vraag hoe coherente fononen worden geïnduceerd door ultrasnelle terahertz-frequentielasers (of fotonen met lage energie) in TMD-materialen", zegt Satoshi Kusaba, assistent-professor aan de Graduate School of Engineering Science van Yokohama National University en eerste onderzoeker. auteur van de studie.
Terahertz-straling verwijst naar elektromagnetische golven met frequenties in het terahertz-bereik, tussen microgolf- en infraroodfrequenties. Het onderzoeksteam bereidde ultrasnelle breedbandterahertz-pulsen voor om coherente fonondynamiek te induceren in dunne films van een TMD genaamd WSe2 .
Er werd een nauwkeurige en gevoelige opstelling opgesteld om optische anisotropie te detecteren, met andere woorden:hoe licht zich gedraagt wanneer het door het materiaal gaat. De onderzoekers onderzochten de veranderingen in de oriëntatie van het elektrische veld van ultrakorte laserpulsen terwijl ze interageren met het materiaal; deze veranderingen staan bekend als polarisatierotatie.
Door de kleine geïnduceerde optische anisotropie zorgvuldig te observeren, slaagde het team erin de fononsignalen te detecteren die werden geïnduceerd door de terahertz-pulsen.
"De belangrijkste bevinding uit ons onderzoek is dat terahertz-excitatie coherente fononen in TMD's kan induceren via een duidelijk somfrequentie-excitatieproces", zegt Haw-Wei Lin, een Ph.D. kandidaat aan het California Institute of Technology ten tijde van het onderzoek en co-eerste auteur van dit onderzoek.
"Dit mechanisme, dat fundamenteel verschilt van resonante en lineaire absorptieprocessen, omvat de gecombineerde energie van twee terahertz-fotonen die overeenkomen met die van de fononmodus."
Omdat de symmetrie van de fononmodi die via dit somfrequentieproces kunnen worden geëxciteerd compleet anders is dan die van het meer typische resonante lineaire proces, is het excitatieproces dat met succes in deze studie is gebruikt belangrijk voor het volledig controleren van atomaire bewegingen in materialen. De implicaties van de bevindingen van het onderzoek reiken verder dan fundamenteel onderzoek en zijn veelbelovend voor een verscheidenheid aan toepassingen in de echte wereld.
"Met het somfrequentie-excitatieproces kunnen we op coherente wijze tweedimensionale atomaire posities controleren met behulp van terahertz-excitatie", zei Kusaba. "Dit zou de deur kunnen openen voor het controleren van de elektronische toestanden van TMD's, wat veelbelovend is voor de ontwikkeling van valleytronics en elektronische apparaten die TMD's gebruiken voor een laag energieverbruik, hogesnelheidscomputers en gespecialiseerde lichtbronnen."
Andere bijdragen zijn onder meer Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama en Jun Takada van de Yokohama National University; Geoffrey A. Blake van het California Institute of Technology.