En framväxande klass av halvledarheterostrukturer involverar stapling av diskreta monolager såsom övergångsmetalldikalkogenider (TMD), t.ex. molybdendiselenid (MoSe2) och volframdiselenid (WSe2), att bilda van der Waals heterostrukturer. Båda emissionsegenskaperna härrör från excitoniska övergångar som är indirekta i momentumrymden och delas av spin−orbit-koppling. Kredit:U.S. Naval Research Laboratory
Forskare vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har tillverkat en dubbelskiktsstruktur som består av två olika enskiktsmaterial, och observerade ett unikt elektroniskt tillstånd bildat av interaktionen mellan dessa två lager.
Övergångsmetalldikalkogenider (TMDs), såsom de oorganiska föreningarna molybdendiselenid (MoSe 2 ) och volframdiselenid (WSe 2 ), är en klass av skiktade 2-dimensionella (2-D) material som liknar grafen. Nya heterostrukturer kan tillverkas genom att stapla enstaka monolager av dessa material och egenskaperna kan skräddarsys genom valet och sekvensen av dessa monolager.
"Baserat på de experimentella resultaten, vi utvecklade en ny modell av interaktionen mellan dessa material som har omfattande konsekvenser för hur de beter sig och hur de kan användas, " sa Dr Aubrey Hanbicki, forskningsfysiker och huvudförfattare till studien. "Vi visar hur interaktionen mellan lagren kan förändra deras beteende för att skapa ett nytt sammansatt system."
Denna nya klass av material som består av atomärt tunna ark har potential att påverka ett brett utbud av teknologier som är viktiga för marinen och försvarsdepartementet (DoD), konstaterar dr Berend T. Jonker, huvudutredare av insatsen. Dessa sträcker sig från kemiska sensorer till att upptäcka kemiska krigföringsmedel, explosiva ämnen och giftiga industrikemikalier, till nya optoelektroniska anordningar för användning i enfotonemitter, nano-lasrar, solceller, och fotodetektorer.
"I enkla lager, många TMD är optiskt aktiva halvledare med några nya och exotiska egenskaper, Hanbicki förklarade. "När den belyses med ljus över en specifik våglängd, beroende på materialets bandgap, elektroner exciteras från valensbandet in i ledningsbandet och lämnar ett positivt laddat "hål" efter sig. Den negativt laddade elektronen och dess hål attraheras sedan till varandra och kan bilda ett elektron-hål-par som kallas en exciton. Efter en mycket kort tid, de rekombinerar och avger ljus vid en våglängd som är karakteristisk för materialet."
Vanligtvis, livslängden för sådana excitoner är mycket kort. Dock, både livslängden och emissionsvåglängden kan skräddarsys genom att klokt välja två olika TMD-monoskikt för att bilda ett dubbelskikt. Med rätt materialval, elektronen och hålet kan ligga i olika lager. Dessa rumsligt separerade partiklar kan bilda en så kallad interlayer exciton (ILE), som tar mycket längre tid att kombinera.
Interaktionen och efterföljande rekombination är starkt beroende av den fysiska separationen av elektronen och hålet, och stor noggrannhet måste vidtas för att konstruera gränssnittskontakten mellan TMD-skikten.
Forskningen vid NRL använde flera avancerade tillverkningsprocesser för att stapla och anpassa MoSe i ett lager 2 flingor på enkellager WSe 2 . MoSe 2 -WSe 2 stacken inkapslades ytterligare av ultrasläta hexagonala bornitrid-skikt (hBN) och "rensades" sedan med en ny tillplattadningsteknik som nyligen utvecklats av NRL-forskare.
Som ett resultat, det ultrarena hBN/MoSe 2 -WSe 2 /hBN-stack uppvisar denna unika interlagerexciton även vid rumstemperatur. Vid låga temperaturer, ILE-emissionsfunktionen delas upp i två toppar som ger den första tydliga upplösningen av denna uppdelning, och möjliggör insikt i ursprunget till själva ILE. Särskilt, eftersom ILE-topparna har nästan samma intensitet, men motsatt polarisering, teoretiska beräkningar kan fastställa ursprunget för ILE.
"Detta arbete representerar ett betydande framsteg i vår allmänna förståelse av interaktionen mellan TMDs i heterostrukturer och kommer att informera designen och implementeringen av framtida TMD-heterostrukturenheter, sa Hanbicki.
Dessa forskningsresultat redovisas i tidskriften ACS Nano
