Baserat på en studie av de optiska egenskaperna hos nya ultratunna halvledare, forskare vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har utvecklat en metod för snabb och effektiv karakterisering av dessa material.

Kemiska föreningar baserade på grundämnen som tillhör de så kallade övergångsmetallerna kan bearbetas för att ge atomtunna tvådimensionella kristaller bestående av ett monolager av kompositen i fråga. De resulterande materialen är halvledare med överraskande optiska egenskaper. I samarbete med amerikanska kollegor, ett team av LMU-fysiker under ledning av Alexander Högele har nu utforskat egenskaperna hos tunnfilmshalvledare som består av övergångsmetalldikalkogenider (TMD). Forskarna rapporterar sina resultat i tidskriften Naturens nanoteknik .

Dessa halvledare uppvisar anmärkningsvärt stark interaktion med ljus och har därför stor potential för tillämpningar inom området optoelektronik. Särskilt, elektronerna i dessa material kan exciteras med polariserat ljus. "Cirkulärt polariserat ljus genererar laddningsbärare som uppvisar antingen vänster- eller högerhänt cirkulär rörelse. Det tillhörande vinkelmomentet kvantiseras och beskrivs av det så kallade dalindexet som kan detekteras som dalpolarisation, ", förklarar Högele. I enlighet med kvantmekanikens lagar, dalindexet kan användas precis som kvantmekaniskt spinn för att koda information för många applikationer inklusive kvantberäkning.

Dock, färska studier av dalindexet i TMD-halvledare har lett till kontroversiella resultat. Olika grupper världen över har rapporterat inkonsekventa värden för graden av dalpolarisering. Med hjälp av deras nyutvecklade polarimetriska metod och med användning av monolager av den halvledande TMD-molybdendisulfiden som modellsystem, LMU-forskarna har nu klargjort orsakerna till dessa avvikelser:"Respons på polariserat ljus visar sig vara mycket känsligt för kvaliteten på kristallerna, och kan således variera avsevärt inom samma kristall, "Samspelet mellan kristallkvalitet och dalpolarisering kommer att göra det möjligt för oss att snabbt och effektivt mäta de egenskaper hos provet som är relevanta för tillämpningar baserat på dalens kvantfrihetsgrad."

Dessutom, den nya metoden kan tillämpas på andra enskiktiga halvledare och system som består av flera olika material. I framtiden, detta kommer att göra det möjligt att snabbt och ekonomiskt karakterisera funktionerna hos enheter baserade på atomärt tunna halvledare – såsom nya typer av lysdioder.