Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) hebben een dubbellaagse structuur gefabriceerd die bestaat uit twee verschillende monolaagmaterialen, en observeerde een unieke elektronische toestand gevormd door de interactie tussen deze twee lagen.

Overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's), zoals de anorganische verbindingen molybdeendiselenide (MoSe ₂ ) en wolfraamdiselenide (WSe ₂ ), zijn een klasse van gelaagde 2-dimensionale (2-D) materialen die verwant zijn aan grafeen. Nieuwe heterostructuren kunnen worden gefabriceerd door enkele monolagen van deze materialen te stapelen en de eigenschappen kunnen worden aangepast door de keuze en volgorde van deze monolagen.

"Op basis van de experimentele bevindingen, we hebben een nieuw model ontwikkeld van de interactie tussen deze materialen, dat verstrekkende gevolgen heeft voor hoe ze zich gedragen en hoe ze kunnen worden gebruikt, " zei dr. Aubrey Hanbicki, onderzoeksfysici en hoofdauteur van de studie. "We laten zien hoe de interactie tussen de lagen hun gedrag kan veranderen om een ​​nieuw composietsysteem te creëren."

Deze nieuwe klasse van materialen, samengesteld uit atomair dunne platen, heeft het potentieel om een ​​breed scala aan technologieën te beïnvloeden die belangrijk zijn voor de marine en het ministerie van Defensie (DoD), stelt dr. Berend T. Jonker, hoofdonderzoeker van de inspanning. Deze variëren van chemische sensoren tot het detecteren van middelen voor chemische oorlogsvoering, explosieven en giftige industriële chemicaliën, tot nieuwe opto-elektronische apparaten voor gebruik in single-photon emitters, nano-lasers, fotovoltaïsche, en fotodetectoren.

"In enkele lagen, veel TMD's zijn optisch actieve halfgeleiders met enkele nieuwe en exotische eigenschappen, " legde Hanbicki uit. "Wanneer verlicht met licht boven een specifieke golflengte, afhankelijk van de bandgap van het materiaal, elektronen worden geëxciteerd van de valentieband in de geleidingsband en laten een positief geladen "gat" achter. Het negatief geladen elektron en zijn gat worden dan tot elkaar aangetrokken en kunnen een elektron-gatpaar vormen dat een exciton wordt genoemd. Na een zeer korte tijd, ze recombineren en zenden licht uit met een golflengte die kenmerkend is voor het materiaal."

Typisch, de levensduur van dergelijke excitonen is erg kort. Echter, zowel de levensduur als de emissiegolflengte kunnen worden aangepast door oordeelkundig twee ongelijke TMD-monolagen te selecteren om een ​​dubbellaag te vormen. Met de juiste materiaalkeuze, het elektron en het gat kunnen zich in verschillende lagen bevinden. Deze ruimtelijk gescheiden deeltjes kunnen een zogenaamd interlayer exciton (ILE) vormen, die veel meer tijd nodig heeft om te recombineren.

De interactie en daaropvolgende recombinatie is sterk afhankelijk van de fysieke scheiding van het elektron en het gat, en er moet aanzienlijke zorg worden besteed aan het ontwerpen van het interfacecontact tussen de TMD-lagen.

Het onderzoek bij NRL gebruikte verschillende geavanceerde fabricageprocessen om enkellaags MoSe . te stapelen en uit te lijnen ₂ vlokken op enkele laag WSe ₂ . De MoSe ₂ -WSe ₂ stapel werd verder ingekapseld door ultragladde hexagonale boornitride (hBN) lagen en vervolgens "schoongemaakt" met behulp van een nieuwe afvlakkingstechniek die onlangs door NRL-wetenschappers is ontwikkeld.

Als resultaat, de ultraschone hBN/MoSe ₂ -WSe ₂ /hBN-stack vertoont dit unieke exciton tussen de lagen, zelfs bij kamertemperatuur. Bij lage temperaturen, de ILE-emissiefunctie splitst zich in twee pieken, wat de eerste duidelijke resolutie van deze splitsing oplevert, en het mogelijk maken van inzicht in de oorsprong van de ILE zelf. Vooral, omdat de ILE-pieken bijna dezelfde intensiteit hebben, maar tegengestelde polarisatie, theoretische berekeningen kunnen de oorsprong van de ILE lokaliseren.

"Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in ons algemene begrip van de interactie van TMD's in heterostructuren en zal het ontwerp en de implementatie van toekomstige TMD-heterostructuurapparaten informeren, ' zei Hanbicki.

Deze onderzoeksresultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift ACS Nano