Halvledande heterostrukturer är nyckeln till utvecklingen av elektronik och optoelektronik. Många applikationer inom det infraröda och terahertz-frekvensområdet utnyttjar övergångar, kallade intersubband-övergångar, mellan kvantiserade tillstånd i halvledarkvantbrunnar. Dessa intrabandövergångar uppvisar mycket stora oscillatorstyrkor, nära enhet. Deras upptäckt i III-V halvledarheterostrukturer visade en enorm inverkan inom den kondenserade materiens fysikgemenskap och utlöste utvecklingen av kvantbrunninfraröda fotodetektorer såväl som kvantkaskadlasrar.

Kvantbrunnar av högsta kvalitet tillverkas vanligtvis av molekylär strålepitaxi (sekventiell tillväxt av kristallina skikt), vilket är en väletablerad teknik. Dock, det innebär två stora begränsningar:Gittermatchning krävs, begränsar friheten i material att välja mellan, och den termiska tillväxten orsakar atomär diffusion och ökar gränsytans grovhet.

2D-material kan övervinna dessa begränsningar eftersom de naturligt bildar en kvantbrunn med atomärt skarpa gränssnitt. De ger defektfria och atomärt skarpa gränssnitt, möjliggör bildandet av idealiska QW, fri från diffusiva inhomogeniteter. De kräver inte epitaxiell tillväxt på ett matchande substrat och kan därför enkelt isoleras och kopplas till andra elektroniska system som Si CMOS eller optiska system som kaviteter och vågledare.

Överraskande nog, intersubbandsövergångar i fålagers 2D-material hade aldrig studerats tidigare, varken experimentellt eller teoretiskt. Således, i en nyligen publicerad studie Naturens nanoteknik , ICFO-forskarna Peter Schmidt, Fabien Vialla, Mathieu Massicotte, Klaas-Jan Tielrooij, Gabriele Navickaite, leds av ICREA Prof vid ICFO Frank Koppens, i samarbete med Institut Lumière Matière—CNRS, Danmarks Tekniska Universitet, Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik, CIC nanoGUNE, och National Graphene Institute, rapport om de första teoretiska beräkningarna och första experimentella observationen av inter-sub-band övergångar i kvantbrunnar av få-lager halvledande 2-D material (TMDs).

I deras experiment, forskarteamet tillämpade spridningsskannande närfältsmikroskopi (s-SNOM) som ett innovativt tillvägagångssätt för spektrala absorptionsmätningar med en rumslig upplösning under 20 nm. De exfolierade TMDs, som omfattade terrasser med olika lagertjocklekar över sidostorlekar på cirka några mikrometer. De observerade direkt intersubbandsresonanserna för dessa olika kvantbrunnstjocklekar inom en enda enhet. De avstämde också laddningsbärardensiteten elektrostatiskt och visade intersubbandsabsorption i både valens- och ledningsbandet. Dessa observationer kompletterades och understöddes med detaljerade teoretiska beräkningar som avslöjade många kroppar och icke-lokala effekter.

Resultaten av denna studie banar väg mot ett outforskat område i denna nya klass av material och ger en första glimt av fysiken och tekniken som möjliggörs av intersubbandsövergångar i 2D-material, såsom infraröda detektorer, källor, och lasrar med potential för kompakt integration med Si CMOS.