Forskare vid U.S.Naval Research Laboratory (NRL), Avdelningen för materialvetenskap och teknik, har visat att intensiteten och spektralsammansättningen för den fotoluminescens som avges från ett enda monoskikt av volframdisulfid (WS2) kan styras rumsligt av polarisationsdomänerna i en angränsande film av det ferroelektriska materialet blyzirkoniumtitanat (PZT).

Dessa domäner skrivs i PZT med hjälp av ett ledande atomkraftmikroskop, och fotoluminescensen (PL) mäts i luft vid rumstemperatur. Eftersom polarisationsdomänens väggbredd i ett ferroelektriskt kan vara så låg som 1-10 nm, detta tillvägagångssätt möjliggör rumslig modulering av PL -intensitet och motsvarande bärarpopulationer med potential för nanoskalaupplösning.

Enstaka monoskiktsövergångsmetalldikalkogenider (TMD) som WS2 uppvisar slående optiska egenskaper på grund av deras direkta bandgap. Den dielektriska screening är mycket låg på grund av deras tvådimensionella (2D) karaktär, och därmed påverkas deras egenskaper starkt av deras närmiljö, och kan modifieras och kontrolleras av variationer i lokal laddningstäthet på grund av adsorbater eller elektrostatisk grindning. Detta har väckt stort intresse för en mängd olika applikationer för elektroniska och optiska enheter.

NRL -forskaren använde ett ledande atomkraftmikroskop för att skriva polarisationsdomäner till en PZT -film i ett rutmönster. På varje domän, polariseringsdipolen pekar antingen upp ur ytplanet eller ner i ytplanet, och producerar antingen positiv eller negativ laddning på PZT -ytan, respektive. Teamet överförde sedan monoskikt WS2 som de hade odlat genom kemiska ångavsättningstekniker till PZT -filmen.

De fann att PL -intensiteten från WS2 endast är hög från områdena över domäner i PZT där polarisationsdipolen pekar ut från ytplanet, som visas i den intilliggande figuren. Ytterligare analys avslöjade att spektralkompositionen för PL också påverkades starkt - spektra från "upp" -domänerna dominerades av neutrala excitonbidrag (ett bundet tillstånd av en elektron och ett hål som härrör från Coulomb -interaktion), medan de från "ned" -domänerna dominerades av negativt laddad exciton, eller trion, bidrag (en exciton med en extra elektron).

"Att tillverka dessa hybrid 2D/3-D ferroelektriska heterostrukturer gör det möjligt att målmedvetet designa och modulera intilliggande populationer av trioner och neutrala excitoner, skapa laterala domäner i valfri geometri "konstaterar Dr Berend Jonker, senior forskare och huvudutredare. Dr Connie Li, huvudförfattare till studien, vidare påpekar:"Eftersom FE-domänerna kan skrivas om med ett atomkraftmikroskop och är icke-flyktiga, detta möjliggör rumslig modulering av TMD -egenskaperna med nanometer skalupplösning. "

Utbetalningen inkluderar utveckling av TMD-material och hybrid 2D/3-D heterostrukturer med ny funktionalitet relevant för DoD-uppdraget, inklusive elektronik med extremt låg effekt, icke-flyktigt optiskt minne och kvantberäkning för framtida DoD-applikationer inom informationsbehandling och avkänning.