Het opkomende gebied van valleytronics, dat gebruik maakt van de momentumvoorkeur van geëxciteerde elektronen, of excitonen, in een verscheidenheid aan opto-elektronische apparaten, is nauw verbonden met de fabricage van nieuwe 2D-materialen met slechts atomen dik. Deze maand heeft een groep Valleytronics-onderzoekers van de Central South University in Changsha, China, zo'n 2D-materiaal ontwikkeld dat de bruikbaarheid van deze opwindende deeltjes aanzienlijk verbetert.

De details van de fabricage en een toelichting op de eigenschappen ervan worden beschreven in het tijdschrift Nano Research .

Op het gebied van materiaalkunde verwijst de term 2D-materialen naar vaste stoffen die slechts één laag atomen dik zijn. Deze zijn niet alleen interessant omdat ze erg klein zijn, maar ook omdat er nieuwe fysische eigenschappen ontstaan ​​wanneer een materiaal wordt uitgedund tot slechts deze ene atomaire laag. Misschien wel het meest bekende 2D-materiaal is grafeen, een enkele laag koolstofatomen, dat een aantal verbazingwekkende eigenschappen heeft die heel anders zijn dan andere vormen die koolstof aanneemt als het in bulk wordt geleverd (of meer formeel, 'bulkkristal'), waaronder zo'n 200 keer sterker dan staal.

Maar er zijn honderden andere soorten 2D-materialen, die weer heel andere eigenschappen bieden dan hun bulkkristalvorm. Een dergelijk 2D-materiaal, overgangsmetaal dichalcogenide, of TMD, is van bijzonder belang in de wereld van opto-elektronica, de wetenschap en technologie van lichtgevende en lichtdetecterende apparaten. De basis van alle opto-elektronische apparaten is het fotovoltaïsche effect, of het genereren van elektrische stroom in een materiaal wanneer het wordt geraakt door een lichtstraal, zoals in een fotovoltaïsche cel in een zonnepaneel, en de omgekeerde vorm ervan, de productie van licht uit elektrische signalen.

Dergelijke technologie is afhankelijk van materialen die halfgeleiders zijn. Om het voorbeeld van de PV-cel nogmaals te gebruiken, wanneer licht een halfgeleider raakt, is deze energie voldoende om elektronen te exciteren om een ​​"band gap" omhoog te springen van het valentieniveau van een atoom naar zijn geleidingsniveau - waar deze aangeslagen elektronen, of meer gewoon excitonen, kunnen nu vrij stromen in een elektrische stroom. In feite is het licht door deze speciale band gap-eigenschap van halfgeleiders omgezet in elektrische energie. Door deze zelfde band gap-eigenschap kunnen transistors - gemaakt van halfgeleidermateriaal zoals silicium - fungeren als aan/uit-schakelaars die worden gebruikt om gegevens op te slaan in de vorm van enen en nullen, of "bits" in computers.

Het 2D-materiaal grafeen, een semi-metaal, heeft geen band gap. Het is een geleider, geen halfgeleider. Enkelvoudige lagen ("monolagen") van TMD - gemaakt van een overgangsmetaalatoom zoals molybdeen of wolfraam gebonden aan een atoom uit dezelfde kolom op het periodiek systeem als zuurstof (de chalcogenen), zoals zwavel, selenium of tellurium - doen dit echter een bandgap hebben. Dit maakt TMD's erg interessant voor de fabricage van transistors en andere opto-elektronische apparaten.

Net zoals de monolaag van een materiaal andere eigenschappen heeft dan hetzelfde materiaal in bulkkristalvorm, kunnen 2D-materialen die twee of drie lagen (dubbellaag of drielaags) dik zijn, weer andere eigenschappen hebben dan hetzelfde materiaal in monolaagvorm. En een meerlagig 2D-materiaal dat is samengesteld uit lagen van twee of meer verschillende materialen, wordt een heterostructuur genoemd, die nog meer verschillen in eigenschappen zal hebben.

Strikt genomen verwijst de term exciton naar zowel het elektron als de lege ruimte of het 'gat' dat het achterlaat, maar waaraan het blijft aangetrokken en dus gebonden:een elektron-gatpaar. Omdat het elektron een negatieve lading heeft, kan worden gezegd dat het elektronengat een positieve lading heeft. Gecombineerd is het elektron-gat-paar, of exciton, een elektrisch neutraal "quasideeltje".

Excitonen in 2D-materialen geven ook de voorkeur aan een van de twee toestanden van momentum, afhankelijk van de polarisatie van het licht dat ze heeft opgewekt. Deze favoriete momenten staan ​​vaak bekend als 'dalen', omdat het veel energie kost om een ​​exciton van de ene gewenste momentumtoestand naar de andere te verplaatsen.

Deze aan/uit, binaire aard van dergelijke excitonvalleien biedt mogelijk een nieuwe manier om een ​​bit op te slaan en logische bewerkingen uit te voeren. Het opkomende gebied van "valleytronica", dat dit fenomeen onderzoekt, is de afgelopen jaren geëxplodeerd vanwege het scala aan potentiële toepassingen, waaronder ongelooflijk snelle logische bewerkingen en, misschien ooit, kleine kwantumcomputers op kamertemperatuur.

Gewoonlijk bestaan ​​excitonen binnen een laag 2D-materiaal - een intralaag-exciton. Maar er bestaat ook een exotisch type exciton tussen de lagen, een dat bestaat tussen twee monolagen, waarbij het elektron en het gat zich in verschillende lagen bevinden. Deze tussenlaagse excitonen zelf hebben verschillende nieuwe en prikkelende eigenschappen, waaronder een aanzienlijk langere levensduur dan hun intralaagse tegenhangers, waardoor toepassingen in exciton-apparaten met een lange levensduur toenemen.

Dubbellagen van TMD's zijn de afgelopen jaren vooral aantrekkelijk geworden voor opto-elektronica-onderzoekers omdat ze bijzonder goed zijn in het hosten van deze tussenlaagse excitonen.

Maar de onderzoekers van de Central South University dachten dat ze nog een laag beter konden gaan.

"De meeste TMD-excitononderzoeken zijn geobsedeerd door heterostructuren die zijn samengesteld uit twee verschillende monolaag-TMD's", zegt Yanping Liu, een natuurkundige en ingenieur die gespecialiseerd is in valleytronics en de corresponderende auteur van het artikel. "Maar onze interesse lag in het ontwerpen van een drielaagse heterostructuur met type II banduitlijning."

Vergeleken met dubbellaagse TMD-heterostructuren met type-II-banduitlijning, biedt de drielagige type-II-banduitlijning in principe een reeks efficiëntieverbeteringen, en de tussenlaagse excitonen zouden een nog langere levensduur moeten hebben, waardoor het toepassingspotentieel van TMD's in apparaten zoals fotodetectoren wordt vergroot. , light-emitting diodes, lasers en fotovoltaïsche energie. Maar tot nu toe waren de excitonen tussen de lagen alleen waargenomen in dubbellaagse TMD-heterostructuren.

Het team was in staat om een ​​drielagige TMD-heterostructuur te fabriceren (samengesteld uit molybdeen en zwavel, molybdeen en selenium, en wolfraam en selenium), die ze vervolgens observeerden met behulp van fotoluminescentiespectroscopie. Ze bevestigden de aanwezigheid van excitonen tussen de lagen en beschreven verschillende eigenschappen en vereisten van het fenomeen.

Na de nieuwe TMD-heterostructuur te hebben gefabriceerd, het bestaan ​​van de langlevende excitonen tussen de lagen te hebben bevestigd en uitgebreid gecatalogiseerde eigenschappen en vereisten, moet het team nu nauwkeuriger het scala aan potentiële toepassingen voor hun TMD in opto-elektronische apparaten onderzoeken. + Verder verkennen

Atomair dunne halfgeleiders voor nanofotonica