Konstnärlig representation som visar de vridna lagren av volframdiselenid (överst) och molybdendisulfid (nederst). Efter excitation med ljus bildas en mängd optiskt "mörka" excitoner mellan skikten. Dessa "mörka" excitoner är elektron-hål-par bundna av Coulomb-interaktion (ljusa och mörka sfärer förbundna med fältlinjer), som inte direkt kan observeras med synligt ljus. En av de mest intressanta kvasipartiklarna är "moiré interlayer exciton" – visad i mitten av bilden – där hålet är beläget i ett lager och elektronen i det andra. Bildandet av dessa excitoner på femtosekunds-tidsskalan och påverkan av Moiré-potentialen (illustrerad av toppar och dalar i lagren) undersöktes i den aktuella studien med femtosekund-fotoemissionsmomentummikroskopi och kvantmekanisk teori. Kredit:Brad Baxley, Part to Whole, LLC
Ett internationellt forskarlag under ledning av Göttingen universitet har för första gången observerat uppbyggnaden av ett fysiskt fenomen som spelar en roll i omvandlingen av solljus till elektrisk energi i 2D-material. Forskarna lyckades göra kvasipartiklar – kända som mörka Moiré-mellanskiktsexcitoner – synliga och förklara deras bildning med hjälp av kvantmekanik. Forskarna visar hur en experimentell teknik som nyligen utvecklats i Göttingen, femtosekund fotoemission momentum mikroskopi, ger djupgående insikter på mikroskopisk nivå, som kommer att vara relevanta för utvecklingen av framtida teknik. Resultaten publicerades i Nature .
Atomtunna strukturer gjorda av tvådimensionella halvledarmaterial är lovande kandidater för framtida komponenter inom elektronik, optoelektronik och fotovoltaik. Intressant nog kan egenskaperna hos dessa halvledare kontrolleras på ett ovanligt sätt:som legoklossar kan de atomärt tunna lagren staplas ovanpå varandra.
Det finns dock ett annat viktigt knep:medan legoklossar bara kan staplas ovanpå – vare sig de är direkt eller vridna i en vinkel på 90 grader – kan rotationsvinkeln i halvledarnas struktur varieras. Det är just denna vridningsvinkel som är intressant för produktion av nya typer av solceller. Men även om en förändring av denna vinkel kan avslöja genombrott för ny teknik, leder det också till experimentella utmaningar.
I själva verket har typiska experimentella tillvägagångssätt endast indirekt tillgång till moiré-mellanskiktsexcitonerna, därför benämns dessa excitoner vanligtvis "mörka" excitoner. "Med hjälp av femtosekunds fotoemissionsmomentummikroskopi lyckades vi faktiskt göra dessa mörka excitoner synliga", förklarar Dr Marcel Reutzel, junior forskargruppsledare vid Fysiska fakulteten vid Göttingens universitet. "Detta gör att vi kan mäta hur excitonerna bildas på en tidsskala av en miljondels miljondels millisekund. Vi kan beskriva dynamiken i bildandet av dessa excitoner med hjälp av kvantmekanisk teori utvecklad av professor Ermin Malics forskargrupp vid Marburg. "
"Dessa resultat ger oss inte bara en grundläggande inblick i bildandet av mörka Moiré-mellanlagerexcitoner, utan öppnar också upp ett helt nytt perspektiv för att göra det möjligt för forskare att studera de optoelektroniska egenskaperna hos nya och fascinerande material", säger professor Stefan Mathias, chef för studier vid Göttingens universitets fysikaliska fakultet. "Det här experimentet är banbrytande eftersom vi för första gången har upptäckt signaturen för Moiré-potentialen som är präglad på excitonen, det vill säga effekten av de kombinerade egenskaperna hos de två vridna halvledarskikten. I framtiden kommer vi att studera denna specifika effekt ytterligare för att lära dig mer om egenskaperna hos de resulterande materialen."
Denna forskning publicerades i Nature . + Utforska vidare
