Optikforskare vid University of Texas i Dallas har för första gången visat att en ny metod för att tillverka ultratunna halvledare ger material där excitoner överlever upp till 100 gånger längre än i material som skapats med tidigare metoder.

Resultaten visar att excitoner, kvasipartiklar som transporterar energi, varar tillräckligt länge för ett brett spektrum av potentiella tillämpningar, inklusive som bitar i kvantberäkningsenheter.

Dr. Anton Malko, professor i fysik vid School of Natural Sciences and Mathematics, är motsvarande författare till en artikel publicerad online den 30 mars i Advanced Materials som beskriver tester på ultratunna halvledare gjorda med en nyligen utvecklad metod som kallas laserassisterad syntesteknik (LAST). Resultaten visar att ny kvantfysik fungerar.

Halvledare är en klass av kristallina fasta ämnen vars elektriska ledningsförmåga ligger mellan en ledares och en isolator. Denna ledningsförmåga kan styras externt, antingen genom dopning eller elektrisk grind, vilket gör dem till nyckelelement för dioder och transistorer som ligger till grund för all modern elektronisk teknik.

Tvådimensionella övergångsmetalldikalkogenider (TMD) är en ny typ av ultratunna halvledare som består av en övergångsmetall och ett kalkogenelement arrangerade i ett atomlager. Även om TMD:er har utforskats i ett decennium eller så, har 2D-formen som Malko undersökte fördelar i skalbarhet och optoelektroniska egenskaper.

"LAST är en mycket ren metod. Du tar rent molybden eller volfram, och rent selen eller svavel, och förångar dem under intensivt laserljus," sa Malko. "Dessa atomer är fördelade på ett substrat och gör det tvådimensionella TMD-skiktet mindre än 1 nanometer tjockt."

Ett materials optiska egenskaper bestäms delvis av excitonernas beteende, som är kvasipartiklar som kan transportera energi samtidigt som de förblir elektriskt neutrala.

"När en halvledare absorberar en foton, skapar den i halvledaren en negativt laddad elektron parad med ett positivt hål, för att bibehålla neutral laddning. Detta par är excitonen. De två delarna är inte helt fria från varandra - de har fortfarande en Coulomb interaktion mellan dem," sa Malko.

Malko och hans team blev förvånade när de upptäckte att excitoner i LAST-producerade TMD:er varade upp till 100 gånger längre än de i andra TMD-material.

"Vi fann snabbt att, optiskt sett, beter sig dessa 2D-prover helt annorlunda än de vi har sett under 10 år när vi arbetat med TMD," sa han. "När vi började titta djupare på det insåg vi att det inte är en slump, det är repeterbart och beroende av tillväxtförhållanden."

Dessa längre livstider, tror Malko, orsakas av indirekta excitoner, som är optiskt inaktiva.

"Dessa excitoner används som ett slags reservoar för att långsamt mata de optiskt aktiva excitonerna", sa han.

Huvudstudieförfattaren Dr. Navendu Mondal, en före detta postdoktoral forskare vid UT Dallas som nu är Marie Skłodowska-Curie Individual Fellow vid Imperial College London, sa att han tror att de indirekta excitonerna existerar på grund av den onormala mängden belastning mellan monolager TMD-materialet och substrat som den växer på.

"Töjningskontroll i atomärt tunna monolager av TMD är ett viktigt verktyg för att skräddarsy deras optoelektroniska egenskaper," sa Mondal. "Deras elektroniska bandstruktur är mycket känslig för strukturella deformationer. Under tillräckligt påfrestning orsakar modifieringar av bandgap bildandet av olika indirekta "mörka" excitoner som är optiskt inaktiva. Genom detta fynd avslöjar vi hur närvaron av dessa dolda mörka excitoner påverkar dessa excitoner skapade direkt av fotoner."

Malko sa att den inbyggda belastningen i 2D TMD:er är jämförbar med vad som skulle induceras genom att trycka på materialet med externt placerade mikro- eller nanostorlekar, även om det inte är ett hållbart tekniskt alternativ för sådana tunna lager.

"Den stammen är avgörande för att skapa dessa optiskt inaktiva, indirekta excitoner," sa han. "Om du tar bort substratet släpps belastningen och denna underbara optiska respons är borta."

Malko sa att de indirekta excitonerna kan styras både elektroniskt och omvandlas till fotoner, vilket öppnar en väg till utvecklingen av nya optoelektroniska enheter.

"Denna ökade livslängd har mycket intressanta potentiella tillämpningar," sa han. "När en exciton har en livslängd på bara cirka 100 pikosekunder eller mindre finns det ingen tid att använda den. Men i det här materialet kan vi skapa en reservoar av inaktiva excitoner som lever mycket längre – några nanosekunder istället för hundratals pikosekunder. Du kan göra mycket med det här."

Malko sa att resultaten av forskningen är ett viktigt proof-of-concept för framtida enheter i kvantskala.

"Det är första gången vi känner till att någon har gjort denna grundläggande observation av sådana långlivade excitationer i TMD-material - tillräckligt långa för att kunna användas som en kvantbit - precis som en elektron i en transistor eller till och med bara för ljusskörd i en solcell", sa han. "Ingenting i litteraturen kan förklara dessa superlånga excitonlivstider, men vi förstår nu varför de har dessa egenskaper."

Forskarna kommer sedan att försöka manipulera excitoner med ett elektriskt fält, vilket är ett viktigt steg mot att skapa logiska element på kvantnivå.

"Klassiska halvledare har redan miniatyriserats ner till dörren innan kvanteffekter förändrar spelet helt", sa Malko. "Om du kan applicera gate-spänning och visa att 2D TMD-material kommer att fungera för framtida elektroniska enheter, är det ett stort steg. Det atomära monoskiktet i 2D TMD-material är 10 gånger mindre än storleksgränsen med kisel. Men kan du skapa logiska element på den storleken? Det är vad vi behöver ta reda på." + Utforska vidare

Atomtunna halvledare för nanofotonik