Halvledare är en hörnsten i nästa generations teknologi, så en ny metod för att excitera atomer i halvledarmaterial kommer sannolikt att entusiasmera ett brett spektrum av forskare och industrier också.
Genom att utnyttja intensiva och bredbandiga ultrasnabba terahertz-pulser har forskare från Yokohama National University och deras kollegor vid California Institute of Technology visat atomexcitation i ett tvådimensionellt halvledarmaterial, vilket främjar utvecklingen av elektroniska enheter.
Deras uppsats publicerades den 19 mars och visas som ett Editor's Pick i tidskriften Applied Physics Letters .
Tvådimensionella (2D) material, eller arkliknande nanomaterial, är lovande plattformar för framtida halvledarapplikationer på grund av sina unika elektroniska egenskaper. Övergångsmetalldikalkogenider (TMD), en framträdande grupp av 2D-material, består av skikt av övergångsmetallatomer inklämda mellan skikt av kalkogenatomer.
Arrangerade i en gitterstruktur kan dessa atomer vibrera eller oscillera runt sina jämviktspositioner – denna kollektiva excitation är känd som en koherent fonon och spelar en avgörande roll för att bestämma och kontrollera materialegenskaper.
Traditionellt induceras koherenta fononer av ultrakorta pulsade lasrar i de synliga och nära-infraröda områdena. Metoder som använder andra ljuskällor är fortfarande begränsade.
"Vår studie tar upp den grundläggande frågan om hur koherenta fononer induceras av ultrasnabba terahertz-frekvenslasrar - eller lågenergifotoner - i TMD-material", säger Satoshi Kusaba, biträdande professor vid Graduate School of Engineering Science vid Yokohama National University och först. författare till studien.
Terahertzstrålning avser elektromagnetiska vågor med frekvenser i terahertzområdet, mellan mikrovågs- och infraröda frekvenser. Forskargruppen förberedde ultrasnabba bredbands-terahertz-pulser för att inducera koherent fonondynamik i tunna filmer av en TMD kallad WSe2 .
En exakt och känslig uppsättning arrangerades för att detektera optisk anisotropi, med andra ord hur ljus beter sig när det passerar genom materialet. Forskarna undersökte förändringarna i orienteringen av det elektriska fältet för ultrakorta laserpulser när de interagerar med materialet; dessa förändringar kallas polarisationsrotation.
Genom att noggrant observera den lilla inducerade optiska anisotropin, lyckades teamet detektera fononsignalerna inducerade av terahertzpulserna.
"Det viktigaste resultatet från vår studie är att terahertz-excitation kan inducera koherenta fononer i TMD genom en distinkt summafrekvens-excitationsprocess", säger Haw-Wei Lin, en Ph.D. kandidat vid California Institute of Technology vid tidpunkten för forskningen och medförfattare till denna studie.
"Denna mekanism, som är fundamentalt skild från resonans- och linjärabsorptionsprocesser, involverar den kombinerade energin av två terahertz-fotoner som matchar den i fononläget."
Eftersom symmetrin hos fononlägena som kan exciteras via denna summafrekvensprocess är helt annorlunda än den för den mer typiska resonanslinjära processen, är excitationsprocessen som framgångsrikt används i denna studie viktig för att fullständigt kontrollera atomrörelser i material. Implikationerna av studiens resultat sträcker sig bortom grundläggande forskning och lovar en mängd olika tillämpningar i den verkliga världen.
"Med summafrekvensexcitationsprocessen kan vi konsekvent kontrollera tvådimensionella atompositioner med hjälp av terahertz-excitering," sa Kusaba. "Detta kan öppna dörren för att kontrollera de elektroniska tillstånden hos TMD:er, vilket är lovande för utvecklingen av valleytronics och elektroniska enheter som använder TMD:er för låg strömförbrukning, höghastighetsberäkning och specialiserade ljuskällor."
Andra bidragsgivare inkluderar Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama och Jun Takada från Yokohama National University; Geoffrey A. Blake från California Institute of Technology.
Mer information: Satoshi Kusaba et al, Terahertz summafrekvensexcitation av koherenta optiska fononer i den tvådimensionella halvledaren WSe2, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0191558
Journalinformation: Tillämpade fysikbrev
Tillhandahålls av Yokohama National University
