För att exciton-excitonförintelse ska inträffa, två excitoner måste interagera med varandra. Dessa interaktioner är välkarakteriserade för 1-D och 2-D-system. I ett 1D-system, vi kan tänka på exciton-interaktioner som uppstår som skolbarn som pratar på en buss. Till exempel, exciton 4 kan interagera med sina grannar, exciton 3 eller 5, men kan inte interagera med exciton 1 och 2 på grund av utrymmesbegränsning. I ett 2D-system, som skolbarn på en lekplats, exciton 4 kan nu röra sig fritt i båda dimensionerna, och kan interagera med vilken annan exciton som helst – till exempel, exciton 2 eller 5. Forskarna strävar efter att ta reda på hur interaktionerna sker i fosforen, ett kvasi-1-D system. Kredit:OIST
Sedan upptäckten 2014, fosforen - ett ark av fosforatomer som bara är en enda atom tjockt - har fascinerat forskare på grund av dess unika optoelektroniska anisotropi. Med andra ord, elektroner interagerar med ljus och rör sig bara i en riktning. Denna anisotropi innebär att trots att den är tvådimensionell (2-D), Fosforen visar en blandning av egenskaper som finns i både endimensionella (1-D) och 2-D material. Forskare tror att fosforens distinkta kvasi-1-D natur kan utnyttjas för att utveckla nya, innovativa optoelektroniska enheter, från lysdioder till solceller.
Nu, forskare från Femtosecond Spectroscopy Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har belyst hur excitoner - ett upphetsat tillstånd av materia i kärnan av optoelektronik - rör sig och interagerar inom fosforen.
"På grund av anisotropin, excitoner beter sig på ett riktigt unikt sätt i fosforen jämfört med andra 2D-material, som vi bara har börjat förstå, " sa Vivek Pareek, Ph.D. student och första författare till studien, publicerad i Fysiska granskningsbrev .
Excitoner bildas när ett material absorberar en foton, orsakar att en elektron exciteras till ett högre energitillstånd. Detta lämnar ett positivt laddat "hål" där elektronen brukade vistas i sitt initiala energitillstånd, som attraheras av den negativt laddade exciterade elektronen. Det resulterande bundna elektron-hålsparet - excitonen - kan sedan röra sig genom materialet och interagera med andra excitoner.
Men excitationer är kortlivade, och i tiden, exciterade elektroner "faller" tillbaka in i hålen. Att göra så, excitoner kan antingen avge en foton – en process som kallas strålningsrekombination – eller så kan de kollidera med varandra, överföring av värme till materialet - en icke-strålande rekombination som kallas exciton-exciton-förintelse.
"Exciton-exciton interaktion, eller förintelse, är väldigt olika i 1-D och 2-D-system, ", förklarade Pareek. "Vi kan därför använda exciton-exciton-förintelse som ett verktyg för att undersöka karaktären av interaktioner i kvasi-1-D-fosforen."
Vid låg excitondensitet, interaktioner sker endast i 1-D, i den gynnsamma riktningen. Vid hög excitondensitet, interaktioner sker i 2D, åt båda hållen. Kredit:OIST
Undersöker fosforen
Forskarna använde en laser för att skicka två ljuspulser vid fosforen - en pumppuls för att excitera elektronerna för att bilda excitoner, och en sondpuls för att fånga exciton-exciton-förintelsen som inträffade under de första hundra pikosekunderna (biljondelar av en sekund). Genom att ändra kraften på pumppulsen, forskarna ändrade den initiala tätheten av bildade excitoner.
Teamet fann att när excitondensiteten ökade, exciton-exciton förintelse ändrad i dimension, växla från 1-D till 2-D. Forskarna visar att denna dimensionsförskjutning inträffade på grund av fosforens anisotropa egenskaper, som uppstår på grund av materialets ovanliga struktur. Denna anisotropi gör att excitoner rör sig snabbare i en specifik riktning längs gittret och rör sig långsammare i den andra riktningen. Därför, vid låga excitondensiteter, interaktioner mellan excitoner inträffade övervägande endast i en dimension - längs den mer gynnsamma riktningen. Men när excitondensiteten ökades, vilket resulterar i mindre avstånd mellan excitoner, interaktioner började inträffa i båda dimensionerna.
Forskarna undersökte också effekten av temperatur på exciton-excitonförintelse. När teamet kylde ner fosforenflingorna, exciton-exciton-förintelse återgick från 2-D till 1-D, även vid höga excitondensiteter.
"Denna studie visar att vi kan kontrollera om exciton-exciton-förintelse sker i en eller två dimensioner, beroende på villkor vi ställer, " sa Dr Julien Madéo, OIST-personalforskare och medförfattare till studien. "Detta avslöjar en ny, intressant egenskap hos fosforen, förbättra sina möjligheter som ett nytt material i optoelektroniska enheter."
