Heterostrukturer som bildas av olika tredimensionella halvledare utgör grunden för moderna elektroniska och fotoniska enheter. Nu, Forskare från University of Washington har framgångsrikt kombinerat två olika ultratunna halvledare - var och en bara ett lager av atomer tjockt och ungefär 100, 000 gånger tunnare än ett människohår-att skapa en ny tvådimensionell heterostruktur med potentiella användningsområden för ren energi och optiskt aktiv elektronik. Laget, ledd av Boeing Distinguished Associate Professor Xiaodong Xu, tillkännagav sina resultat i en tidning som publicerades den 12 februari i tidskriften Vetenskap .

Seniorförfattaren Xu och huvudförfattarna Kyle Seyler och Pasqual Rivera, båda doktorander på UW fysikavdelning, syntetiserade och undersökte de optiska egenskaperna hos denna nya typ av halvledarsandwich.

"Det vi ser här skiljer sig från heterostrukturer gjorda av 3D-halvledare, sa Xu, som har gemensamma anställningar vid institutionen för fysik och institutionen för materialvetenskap och teknik. "Vi har skapat ett system för att studera de speciella egenskaperna hos dessa atomtunna lager och deras potential att svara på grundläggande frågor om fysik och utveckla ny elektronisk och fotonisk teknik."

När halvledare absorberar ljus, par av positiva och negativa laddningar kan bildas och binda samman för att skapa så kallade excitoner. Forskare har länge studerat hur dessa excitoner beter sig, men när de pressas ner till 2D-gränsen i dessa atomärt tunna material, överraskande interaktioner kan uppstå.

Medan traditionella halvledare manipulerar flödet av elektronladdning, denna enhet gör att excitoner kan bevaras i "dalar, " ett koncept från kvantmekaniken som liknar spinn av elektroner. Detta är ett kritiskt steg i utvecklingen av ny nanoskalateknologi som integrerar ljus med elektronik.

"Det var redan känt att dessa ultratunna 2-D halvledare har dessa unika egenskaper som du inte kan hitta i andra 2-D eller 3-D arrangemang, " sa Xu. "Men som vi visar här, när vi lägger ihop dessa två lager – det ena ovanpå det andra – blir gränssnittet mellan dessa ark platsen för ännu fler nya fysiska egenskaper, som du inte ser i varje lager på egen hand eller i 3D-versionen. "

Xu och hans team ville skapa och utforska egenskaperna hos en 2D-halvledarheterostruktur som består av två olika materiallager, en naturlig utökning av deras tidigare studier på atomärt tunna korsningar, samt nanoskala lasrar baserade på atomiskt tunna lager av halvledare. Genom att studera hur laserljus interagerar med denna heterostruktur, de samlade information om de fysikaliska egenskaperna vid det atomärt skarpa gränssnittet.

"Många grupper har studerat de optiska egenskaperna hos enstaka 2-D-ark, " sa Seyler. "Vad vi gör här är att försiktigt stapla ett material ovanpå ett annat, och studera sedan de nya egenskaperna som uppstår vid gränssnittet."

Teamet erhöll två typer av halvledande kristaller, volframdiselenid (WSe2) och molybdendiselenid (MoSe2), från medarbetare vid Oak Ridge National Laboratory. De använde anläggningar som utvecklats internt för att exakt ordna två lager, en härledd från varje kristall, en process som tog några år att utvecklas fullt ut.

"Men nu när vi vet hur vi gör det på rätt sätt, vi kan göra nya om en eller två veckor, " sa Xu.

Att få dessa enheter att avge ljus utgjorde en unik utmaning, på grund av egenskaperna hos elektroner i varje lager.

"När du har dessa två ark med material, en viktig fråga är hur de två lagren ska placeras tillsammans, " sa Seyler. Elektronerna i varje lager har unika spinn- och dalegenskaper, och "hur du placerar dem - deras vridningsvinkel - påverkar hur de interagerar med ljus."

Genom att anpassa kristallgallren, författarna kunde excitera heterostrukturen med en laser och skapa optiskt aktiva excitoner mellan de två lagren.

"Dessa excitoner vid gränssnittet kan lagra dalinformation i storleksordningar längre än något av lagren på egen hand, "sa Rivera." Denna långa livslängd möjliggör fascinerande effekter som kan leda till ytterligare optiska och elektroniska applikationer med dalfunktionalitet. "

Nu när de effektivt kan göra en halvledarheterostruktur av 2D-material, Xu och hans team skulle vilja utforska ett antal fascinerande fysiska egenskaper, inklusive hur excitons beteende varierar när de ändrar vinklar mellan lagren, kvantegenskaperna exciterar mellan lager och elektriskt driven ljusemission.

"Det finns en hel industri som vill använda dessa 2D-halvledare för att göra nya elektroniska och fotoniska enheter, "sa Xu." Så vi försöker studera de grundläggande egenskaperna hos dessa nya heterostrukturer för saker som effektiv laserteknik, ljusemitterande dioder och ljusupptagningsanordningar. Dessa kommer förhoppningsvis att vara användbara för ren energi och informationsteknologi. Det är ganska spännande men det finns mycket att göra. "