Het onderzoeken van de opmerkelijke excitoneffecten in tweedimensionale (2-D) halfgeleiders en het beheersen van hun excitonbindingsenergieën kan het volledige potentieel van 2D-materialen ontsluiten voor toekomstige toepassingen in fotonische en opto-elektronische apparaten. In een recente studie, Zhizhan Qiu en collega's van de interdisciplinaire afdelingen scheikunde, Engineering, geavanceerde 2D-materialen, natuurkunde en materiaalkunde in Singapore, Japan en de VS hebben grote excitonische effecten en gate-afstembare excitonbindingsenergieën aangetoond in enkellaags rheniumdiselenide (ReSe ₂ ) op een back-gated grafeenapparaat. Ze gebruikten scanning tunneling spectroscopie (STS) en differentiële reflectiespectroscopie om de quasideeltjes (QP) elektronische en optische bandgap (Eopt) van enkellaags ReSe te meten. ₂ om een ​​grote excitonbindingsenergie van 520 meV op te leveren.

De wetenschappers bereikten een continue afstemming van de elektronische bandgap en excitonbindingsenergie van monolaag ReSe ₂ door honderden milli-elektron volt via elektrostatische poorten. Qiu et al. schreef het fenomeen toe aan afstembare Coulomb-interacties die voortkomen uit de gate-gestuurde vrije dragers in grafeen. De nieuwe bevindingen zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang en zal een nieuwe weg openen om bandgap-renormalisatie en excitonbindingsenergieën in 2D-halfgeleiders te regelen voor een verscheidenheid aan technische toepassingen.

Atomair dunne tweedimensionale (2-D) halfgeleiders vertonen meestal een grote bandgap-renormalisatie (verschuivingen in fysieke eigenschappen) en buitengewone excitonische effecten als gevolg van kwantumopsluiting en verminderde diëlektrische afscherming. Licht-materie-interacties in deze systemen worden bepaald door verbeterde excitonische effecten, die natuurkundigen hebben bestudeerd om op excitonen gebaseerde apparaten bij kamertemperatuur te ontwikkelen. Een uniek kenmerk van 2D-halfgeleiders is hun ongekende afstembaarheid ten opzichte van zowel elektrische als optische eigenschappen als gevolg van doping en omgevingsscreening.

Onderzoekers kunnen theoretisch voorspelde en experimenteel aangetoonde Coulomb-interacties in 2D-halfgeleiders ontwikkelen om de quasideeltjesbandgap (Eg) en excitonbindingsenergieën (Eb) van monsters af te stemmen, met methoden zoals chemische doping, elektrostatische poorten en technische milieuscreening. Onder de gerapporteerde technieken, elektrostatische poorten bieden extra voordelen zoals continue afstembaarheid en uitstekende compatibiliteit voor integratie in moderne apparaten. Echter, een overlap van de band-edge-absorptiestap met sterke excitonische resonanties maakt het een uitdaging om de Eg van 2-D halfgeleiders nauwkeurig te bepalen op basis van alleen hun optische absorptiespectrum.

Wetenschappers hadden daarom scanning tunneling spectroscopie en optische spectroscopie gebruikt om de Eb van 2-D halfgeleiders direct te onderzoeken en Eg en de optische bandgap (Eopt) te meten. In het huidige werk, Qiu et al. op dezelfde manier gebruikt deze benadering om gate-afstembare Eg en excitonische effecten in monolaag ReSe . te demonstreren ₂ op een back-gated grafeen-veldeffecttransistor (FET) -apparaat. Ze observeerden een grote Eb van 520 meV voor monolaag ReSe ₂ bij nul poortspanning, gevolgd door continu afstemmen van 460 tot 680 meV via elektrostatische poorten vanwege poortgestuurde vrije dragers in grafeen. De mogelijkheid om de bandgap en excitonische effecten van 2D-grafeenhalfgeleiders nauwkeurig af te stemmen, zal een nieuwe route bieden om het grensvlakladingstransport of de efficiëntie van het oogsten van licht te optimaliseren. Qui et al. verwacht dat de huidige bevindingen een diepgaande invloed zullen hebben op nieuwe elektronische en opto-elektronische apparaten op basis van kunstmatig geconstrueerde van der Waals-heterostructuren.

Qui et al. eerst de monolaag ReSe . afgebeeld ₂ een vervormde 1 . tonen t structuur met triklinische symmetrie. De vier Re-atomen gleden van hun reguliere octaëdrische plaatsen als gevolg van ladingsontkoppeling om een ​​1D-ketenachtige structuur te vormen met onderling verbonden ruitvormige eenheden. Door de topologische kenmerken, de monolaag ReSe ₂ vertoonde unieke anisotrope elektronische en optische eigenschappen in het vlak die nuttig zijn voor nabij-infrarood polarisatiegevoelige opto-elektronische toepassingen.

Om carrier-afhankelijke excitonische effecten te onderzoeken, de wetenschappers brachten eerst een monolaag ReSe . over ₂ vlok op een schoon back-gated grafeen FET-apparaat (veldeffecttransistor). Het apparaat bestaat uit verschillende componenten volgens een eerder vastgesteld recept om een ​​SiO . te bevatten ₂ substraat, wat in contrast stond met de samenstellende atomaire vlakheid van hexagonaal boornitride (hBN) dat de oppervlakteruwheid en ladingsinhomogeniteit in grafeen aanzienlijk verminderde. Het gebruik van grafeen maakte directe scanning tunneling microscopie (STM) metingen van de gated enkellaags ReSe mogelijk ₂ terwijl het elektrische contact met monolaag ReSe . wordt verbeterd ₂ .

Na STM-beeldvorming onthulde het atomair opgeloste beeld een diamantketenachtige structuur zoals verwacht voor monolaag ReSe ₂ met een vervormde 1 t atoom structuur. De wetenschappers observeerden de stapeluitlijning van het materiaal langs twee kristallografische oriëntaties als moiré-patronen, waar monolaag ReSe ₂ met een trikliene roostersymmetrie lag op grafeen met een honingraatrooster.

Toen ze de lokale elektronische eigenschappen van ReSe . onderzochten ₂ met behulp van STS (scanning tunneling spectroscopie) observeerden de wetenschappers differentiële conductantie (dI/dV) spectra in verschillende moiré-regio's om vergelijkbare kenmerken te vertonen. Als een uniek kenmerk van de studie, Qiu et al. onderzocht de quasideeltjes (QP) bandstructuren als een functie van poortspanning.

De optische bandgap (Eopt) bleef bijna constant bij alle poortspanningen in tegenstelling tot de monotone reductie van Eg, in overeenstemming met eerdere experimentele studies. Om dit te verifiëren, ze voerden fotoluminescentiemetingen uit van de monolaag ReSe ₂ /grafeen/h-BN-monster bij verschillende poortspanningen bij kamertemperatuur (RT). De gate-afhankelijke fotoluminescentiespectra onthulden een bijna constante Eopt van monolaag ReSe ₂ .

De wetenschappers bepaalden vervolgens de excitonbindingsenergie en afgeleiden een grote, gate-afstembare bandgap renormalisatie voor ReSe ₂ in het hybride apparaat. Ze zochten de fysieke oorsprong van de gate-afstembare QP-bandgap-renormalisatie en excitonbindingsenergie in de monolaag ReSe ₂ door bijdragen van de door het veld geïnduceerde polarisatiegolffuncties buiten het vlak uit te sluiten en hun oorsprong te bewijzen van door poort geïnduceerde vrije dragers in grafeen. Theoretische resultaten van het onderzoek toonden ook aan dat matige doping in grafeen de excitonbindingsenergie (Eb) aanzienlijk kan verminderen met honderden milli-elektronvolt naarmate de vrije-dragerconcentratie in grafeen toenam. In aanvulling, Qiu et al. vergeleken de theorie direct met hun experimentele resultaten.

Op deze manier, Zhizhan Qiu en collega's hebben met succes de QP-bandgap en exciton-bindingsenergie in een 2D-halfgeleider op maat gemaakt door doping van het onderliggende grafeen te regelen met elektrostatische poorten. De resultaten toonden aan dat screening van een grafeensubstraat een diepgaande invloed had op Coulomb-interacties die leidden tot een brede afstembaarheid van de elektronische bandgap en excitonbindingsenergie. De bevindingen onthulden veel-elektronenfysica in hybride 2D-halfgeleiders of grafeensystemen. Het werk zal de weg vrijmaken om excitonische effecten te beheersen en de excitonbindingsenergieën in 2D-halfgeleiders nauwkeurig af te stemmen voor een verscheidenheid aan technische toepassingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk