Heterostructuren gevormd door verschillende driedimensionale halfgeleiders vormen de basis voor moderne elektronische en fotonische apparaten. Nutsvoorzieningen, Wetenschappers van de Universiteit van Washington hebben met succes twee verschillende ultradunne halfgeleiders gecombineerd - elk slechts één laag atomen dik en ongeveer 100, 000 keer dunner dan een mensenhaar - om een ​​nieuwe tweedimensionale heterostructuur te maken met mogelijke toepassingen in schone energie en optisch actieve elektronica. Het team, onder leiding van Boeing Distinguished Associate Professor Xiaodong Xu, kondigde zijn bevindingen aan in een paper dat op 12 februari in het tijdschrift werd gepubliceerd Wetenschap .

Senior auteur Xu en hoofdauteurs Kyle Seyler en Pasqual Rivera, beide promovendi van de afdeling natuurkunde van UW, gesynthetiseerd en onderzocht de optische eigenschappen van dit nieuwe type halfgeleidersandwich.

"Wat we hier zien, verschilt van heterostructuren gemaakt van 3D-halfgeleiders, " zei Xu, die gezamenlijke aanstellingen heeft bij de faculteit Natuurkunde en de faculteit Materials Science and Engineering. "We hebben een systeem gemaakt om de speciale eigenschappen van deze atomair dunne lagen te bestuderen en hun potentieel om fundamentele vragen over fysica te beantwoorden en nieuwe elektronische en fotonische technologieën te ontwikkelen."

Als halfgeleiders licht absorberen, paren van positieve en negatieve ladingen kunnen zich vormen en aan elkaar binden om zogenaamde excitonen te creëren. Wetenschappers hebben lang bestudeerd hoe deze excitonen zich gedragen, maar wanneer ze tot de 2-D limiet worden geperst in deze atomair dunne materialen, verrassende interacties kunnen optreden.

Terwijl traditionele halfgeleiders de stroom van elektronenlading manipuleren, met dit apparaat kunnen excitonen worden bewaard in "dalen, " een concept uit de kwantummechanica vergelijkbaar met de spin van elektronen. Dit is een cruciale stap in de ontwikkeling van nieuwe technologieën op nanoschaal die licht integreren met elektronica.

"Het was al bekend dat deze ultradunne 2D-halfgeleider deze unieke eigenschappen heeft die je niet kunt vinden in andere 2D- of 3D-opstellingen, "zei Xu. "Maar zoals we hier laten zien, wanneer we deze twee lagen samenvoegen - de ene op de andere - wordt de interface tussen deze bladen de plaats van nog meer nieuwe fysieke eigenschappen, die je niet in elke laag afzonderlijk of in de 3D-versie ziet."

Xu en zijn team wilden de eigenschappen van een 2D-halfgeleider-heterostructuur, bestaande uit twee verschillende materiaallagen, creëren en onderzoeken. een natuurlijke uitbreiding van hun eerdere studies over atomair dunne juncties, evenals lasers op nanoschaal op basis van atomair dunne lagen halfgeleiders. Door te bestuderen hoe laserlicht interageert met deze heterostructuur, ze verzamelden informatie over de fysieke eigenschappen op het atomair scherpe grensvlak.

"Veel groepen hebben de optische eigenschappen van enkele 2D-platen bestudeerd, " zei Seyler. "Wat we hier doen is zorgvuldig het ene materiaal op het andere stapelen, en bestudeer vervolgens de nieuwe eigenschappen die op het grensvlak ontstaan."

Het team verkreeg twee soorten halfgeleidende kristallen, wolfraamdiselenide (WSe2) en molybdeendiselenide (MoSe2), van medewerkers van het Oak Ridge National Laboratory. Ze gebruikten in eigen huis ontwikkelde faciliteiten om twee lagen precies te rangschikken, een afgeleid van elk kristal, een proces dat enkele jaren in beslag nam om zich volledig te ontwikkelen.

"Maar nu we weten hoe we het goed moeten doen, we kunnen in een of twee weken nieuwe maken, " zei Xu.

Het was een unieke uitdaging om deze apparaten licht te laten uitstralen, vanwege de eigenschappen van elektronen in elke laag.

"Als je deze twee vellen materiaal eenmaal hebt, een essentiële vraag is hoe de twee lagen bij elkaar te positioneren, " zei Seyler. De elektronen in elke laag hebben unieke spin- en vallei-eigenschappen, en "hoe je ze positioneert - hun draaihoek - beïnvloedt hoe ze omgaan met licht."

Door de kristalroosters uit te lijnen, de auteurs konden de heterostructuur met een laser prikkelen en optisch actieve excitonen tussen de twee lagen creëren.

"Deze excitonen op de interface kunnen vallei-informatie opslaan voor orden van grootte die langer zijn dan elk van de lagen op zich, "zei Rivera. "Deze lange levensduur zorgt voor fascinerende effecten die kunnen leiden tot verdere optische en elektronische toepassingen met vallei-functionaliteit."

Nu ze efficiënt een heterostructuur van halfgeleiders kunnen maken van 2D-materialen, Xu en zijn team willen graag een aantal fascinerende fysieke eigenschappen onderzoeken, inclusief hoe het gedrag van excitonen varieert als ze van hoek veranderen tussen de lagen, de kwantumeigenschappen excitonen tussen lagen en elektrisch aangedreven lichtemissie.

"Er is een hele industrie die deze 2D-halfgeleiders wil gebruiken om nieuwe elektronische en fotonische apparaten te maken, "zei Xu. "Dus we proberen de fundamentele eigenschappen van deze nieuwe heterostructuren te bestuderen voor zaken als efficiënte lasertechnologie, lichtgevende dioden en lichtoogstapparatuur. Deze zullen hopelijk nuttig zijn voor toepassingen op het gebied van schone energie en informatietechnologie. Het is best spannend, maar er is nog veel werk aan de winkel."