In een aanzienlijke vooruitgang voor de volgende generatie halfgeleiders heeft een samenwerkend onderzoeksteam baanbrekende ontdekkingen gedaan op het gebied van tweedimensionale (2D) halfgeleiders.

Hun bevindingen, gepubliceerd in Nano Letters werpen licht op de vorming en controle van trionen en bieden waardevolle inzichten in de optische eigenschappen van deze materialen.

2D-halfgeleiders, bekend om hun uitzonderlijke lichteigenschappen per volume-eenheid met hoge flexibiliteit vanwege hun atomaire laagdikte, bieden een enorm potentieel voor toepassingen op gebieden zoals geavanceerde flexibele apparaten, nanofotonica en zonnecellen.

Het onderzoeksteam concentreerde zich op het benutten van de optische eigenschappen van 2D-halfgeleiders, met name de generatie- en recombinatieprocessen van elektronen-gatparen, om lichtgevende apparaten en optische toepassingen te ontwikkelen.

Om de interactie tussen excitonen en trionen actief te controleren en real-time lichtgevende eigenschappen te analyseren, ontwikkelde het team hun eigen sonde-verbeterde resonante spectroscopiesysteem op basis van gouden nanodraden. Door een enkele laag MoSe₂ te combineren , een 2D-halfgeleider, met gouden nanodraden en een sonde-verbeterd resonantiespectroscopiesysteem, creëerden de onderzoekers een composietstructuur en een krachtig analyseplatform. Hierdoor slaagden ze erin het principe van het genereren van trionen te identificeren, dat nog niet eerder bekend was.

De onderzoekers ontdekten dat de multipolaire modus van elektrische lading een belangrijke rol speelt bij het induceren van de omzetting van excitonen in trionen in 2D-halfgeleiders. Met het sonde-verbeterde resonantiespectroscopiesysteem bereikten ze real-time analyse van nano-lichteigenschappen met een uitzonderlijke ruimtelijke resolutie van ongeveer 10 nm, waarmee ze de limiet van lichtdiffractie overtroffen. Dit maakte de identificatie mogelijk van het principe achter de triongeneratie en de ontwikkeling van omkeerbare actieve controle over de exciton-trion-conversie.

Bovendien fungeerde de gouden sonde als een antenne, die het licht op een nanogroot gebied concentreerde en hoogenergetische thermocronen genereerde. De door dit proces gegenereerde elektronen werden vervolgens in de 2D-halfgeleider geïnjecteerd, waardoor de controle over het genereren van trionen verder werd verbeterd. Deze doorbraak leidde tot het voorstel van een nieuw 'nano-actief controleplatform', dat real-time controle met ultrahoge resolutie over de toestand van de materie mogelijk maakt, en daarmee de traditionele meetapparatuur overtreft.

Mingu Kang, de eerste auteur van de studie, verklaarde:"We hebben niet alleen met succes excitonen en trionen onder controle gehouden, maar we hebben ook de onderliggende principes geïdentificeerd die hun interactie met plasmonen en thermotrons bepalen." Hij voegde er verder aan toe:"Wij geloven dat ons onderzoek een belangrijke doorbraak zal opleveren voor onderzoekers op gebieden die gebruik maken van excitonen en trionen, zoals zonnecellen en foto-elektrische geïntegreerde schakelingen."

Het onderzoeksteam werd geleid door professor Kyoung-Duck Park en Mingu Kang van de afdeling natuurkunde van POSTECH, en professor Yong Doug Suh van de afdeling scheikunde van UNIST, die tegelijkertijd de functie bekleedt van Associate Director bij het IBS Center for Multidimensional Carbon Materials. (CMCM) en professor Hyun Seok Lee van de afdeling natuurkunde van de Chungbuk National University.

Meer informatie: Mingu Kang et al., Manipulatie op nanoschaal van exciton-Trion-interconversie in een MoSe2-monolaag via tip-enhanced cavity-spectroscopie, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03920

Aangeboden door Ulsan Nationaal Instituut voor Wetenschap en Technologie