(Phys.org) – Ett team av Berkeley Lab-forskare tror att det har avslöjat hemligheten bakom de ovanliga optoelektroniska egenskaperna hos enstaka atomlager av övergångsmetalldikalkogenidmaterial (TMDC), de tvådimensionella halvledarna som lovar mycket för nanoelektroniska och fotoniska tillämpningar.

Med hjälp av två-foton excitationsspektroskopi, forskarna undersökte monolager av volframdisulfid, ett av de mest lovande 2D-materialen, och hittade bevis för existensen av excitoniska mörka tillstånd – energitillstånd där enskilda fotoner varken kan absorberas eller sändas ut. Dessa excitoner förutspåddes från ab initio beräkningar av medlemmar i forskargruppen ha en ovanlig energisekvens, plus excitonisk bindningsenergi och bandgap som är mycket större än vad som tidigare misstänkts för 2D TMDC-material.

"Upptäckten av mycket stor excitonisk bindningsenergi och bandgap och dess icke-hygrogena natur i 2D-halvledarmaterial är viktigt inte bara för att förstå den oöverträffade interaktionen mellan ljus och materia som uppstår från en stark effekt på många kroppar, men också för elektroniska och optoelektroniska tillämpningar, som ultrakompakta lysdioder, sensorer och transistorer, säger Xiang Zhang, chef för Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och ledare för denna studie. "En sådan stor bindningsenergi - 0,7 eV - kan också potentiellt göra rumstemperatur-excitoner stabila för framtida kvantberäkningsinsatser."

Zhang innehar Ernest S. Kuh Endowed Chair Professor vid University of California (UC) Berkeley, leder National Science Foundations Nano-scale Science and Engineering Center, och är medlem av Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley. Han och Berkeley Labs teoretiska fysiker Steven Louie, även med Materials Sciences Division och UC Berkeley, är motsvarande författare till en artikel i Nature som beskriver denna forskning. Tidningen har titeln "Probing exciton dark states in single-layer volfram disulfide." Medförfattare är Ziliang Ye, Ting Cao, Kevin O'Brien, Hanyu Zhu, Xiaobo Yin, och Yuan Wang.

Excitoner är bundna par av exciterade elektroner och hål som kan orsaka betydande avvikelser mellan fotonabsorption eller emissionsenergier och de elektroniska bandgap som gör att halvledare kan fungera i enheter. 2D TMDC-material har genererat en hel del i elektronikindustrin eftersom de erbjuder överlägsen energieffektivitet och bär mycket högre strömtätheter än kisel. Vidare, till skillnad från grafen, den andra högt prisade 2D-halvledaren, TMDC har ändliga bandgap. Detta gör dem mer enhetsklara än grafen, som inte har några naturliga bandgap. Dock, frågetecken som svävar över bandgapstorleken och excitoniska effekten i 2D TMDCs har hämmat deras utveckling.

"Genom att experimentellt avslöja 2D excitoniska mörka tillstånd i ett TMDC monolager, vi har visat intensiva många-elektroneffekter i denna klass av 2D-halvledare, " säger Ziliang Ye, en medlem av Zhangs forskargrupp och en av två huvudförfattare till Naturepaper. "Vår upptäckt ger en grund för att utnyttja de ovanliga interaktionerna mellan ljus och materia som är resultatet av starka excitoniska effekter, och bör också möjliggöra bättre design av heterostrukturer som involverar TMDC-monoskikt."

Förutom lysdioder och fotodetektorer, upptäckten av starkt bundna excitoniska mörka tillstånd kan också ha viktiga konsekvenser för "valleytronics, "en mycket lovande potentiell ny väg till ny elektronik och ultrasnabb databehandling.

"Inom valleytronics, information är kodad i ett vågkvanttal som beskriver vilken dal av energimomentlandskapet en bärare tillhör när den rör sig genom ett kristallgitter, " säger Louie. "Vårt arbete ger ny förståelse och information om de fotoexciterade tillstånden, och på de resulterande bärarna där dalinformationen är kodad."

Säger Ting Cao, en medlem av Louies forskargrupp och den andra huvudförfattaren till Nature-tidningen, "2D TMDC bör också vara väl lämpade för nästa generation av flexibla enheter och bärbar elektronik."