Wetenschap
Onderzoekers van Berkeley Lab hebben bewijs gevonden voor excitonische donkere toestanden in monolagen van wolfraamdisulfide die de ongebruikelijke opto-elektronische eigenschappen van enkele atomaire lagen van overgangsmetaal dichalcogenide (TMDC) materialen zouden kunnen verklaren.
(Phys.org) — Een team van onderzoekers van Berkeley Lab gelooft dat het het geheim achter de ongebruikelijke opto-elektronische eigenschappen van enkele atomaire lagen van overgangsmetaaldichalcogenide (TMDC)-materialen heeft ontdekt, de tweedimensionale halfgeleiders die veelbelovend zijn voor nano-elektronische en fotonische toepassingen.
Met behulp van twee-foton excitatie spectroscopie, de onderzoekers onderzochten monolagen van wolfraamdisulfide, een van de meest veelbelovende 2D-materialen, en vond bewijs voor het bestaan van excitonische donkere toestanden - energietoestanden waarin enkele fotonen niet kunnen worden geabsorbeerd of uitgezonden. Deze excitonen werden voorspeld op basis van ab initio berekeningen door leden van het onderzoeksteam om een ongebruikelijke energievolgorde te hebben, plus excitonische bindingsenergie en bandgaps die veel groter zijn dan eerder werd vermoed voor 2D TMDC-materialen.
"Ontdekking van zeer grote excitonische bindingsenergie en bandgaps en de niet-hygrogene aard ervan in 2D-halfgeleidermaterialen is niet alleen belangrijk voor het begrijpen van de ongekende interactie tussen licht en materie die voortkomt uit een sterk veellichameneffect, maar ook voor elektronische en opto-elektronische toepassingen, zoals ultracompacte leds, sensoren en transistoren, " zegt Xiang Zhang, directeur van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de leider van deze studie. "Zo'n grote bindingsenergie - 0,7 eV - zou mogelijk ook excitonen bij kamertemperatuur stabiel kunnen maken voor toekomstige kwantumcomputerinspanningen."
Zhang bekleedt de Ernest S. Kuh Endowed Chair Professor aan de University of California (UC) Berkeley, geeft leiding aan het Nano-scale Science and Engineering Center van de National Science Foundation, en is lid van het Kavli Energy NanoSciences Institute in Berkeley. Hij en Berkeley Lab theoretisch fysicus Steven Louie, ook met de Materials Sciences Division en UC Berkeley, zijn de corresponderende auteurs van een paper in Nature waarin dit onderzoek wordt beschreven. Het artikel is getiteld "Probing excitonic dark states in single-layer tungsten disulfide". Co-auteurs zijn Ziliang Ye, Ting Cao, Kevin O'Brien, Hanyu Zhu, Xiaobo Yin, en Yuan Wang.
Excitonen zijn gebonden paren van geëxciteerde elektronen en gaten die aanzienlijke afwijkingen kunnen veroorzaken tussen fotonabsorptie- of emissie-energieën en de elektronische bandgaps die halfgeleiders in staat stellen om in apparaten te functioneren. 2D TMDC-materialen hebben nogal wat opschudding veroorzaakt in de elektronica-industrie omdat ze een superieure energie-efficiëntie bieden en veel hogere stroomdichtheden dragen dan silicium. Verder, in tegenstelling tot grafeen, de andere hoog aangeschreven 2D-halfgeleider, TMDC's hebben eindige bandgaps. Dit maakt ze meer apparaatklaar dan grafeen, die geen natuurlijke bandgaps heeft. Echter, vraagtekens die boven de bandgap-grootte zweven en het excitonische effect in 2D TMDC's hebben hun ontwikkeling belemmerd.
"Door experimenteel 2D-excitonische donkere toestanden in een TMDC-monolaag te onthullen, we hebben intense veel-elektroneffecten aangetoond in deze klasse van 2D-halfgeleiders, " zegt Ziliang Ye, een lid van de onderzoeksgroep van Zhang en een van de twee hoofdauteurs van de Naturepaper. "Onze ontdekking biedt een basis voor het exploiteren van de ongebruikelijke interacties tussen licht en materie die het gevolg zijn van sterke excitonische effecten, en zou ook betere ontwerpen van heterostructuren mogelijk moeten maken waarbij TMDC-monolagen betrokken zijn."
Naast LED's en fotodetectoren, de ontdekking van sterk gebonden excitonische donkere toestanden zou ook belangrijke implicaties kunnen hebben voor "valleytronica, " een veelbelovende potentiële nieuwe route naar nieuwe elektronica en ultrasnelle gegevensverwerking.
"In de valleitronica, informatie is gecodeerd in een golfkwantumgetal dat beschrijft tot welke vallei van het energie-impulslandschap een drager behoort terwijl het door een kristalrooster beweegt, " zegt Louie. "Ons werk biedt nieuw begrip en informatie over de foto-opgewonden toestanden, en op de resulterende dragers waar de vallei-informatie is gecodeerd."
zegt Ting Cao, een lid van Louie's onderzoeksgroep en de andere hoofdauteur van de Nature-paper, "2D TMDC's zouden ook zeer geschikt moeten zijn voor de volgende generatie flexibele apparaten en draagbare elektronica."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com