Identifiera tjockleken på monoskikt ReSe2. (A) Den optiska bilden av monoskikt ReSe2 (inuti den streckade rektangeln) överförd på G/h-BN. Den infällda bilden är den mörka fältets optiska bild för ReSe2 -flingan. (B) AFM -bilden av monoskikt ReSe2. Insats:steghöjden för exfolierad ReSe2 -fling mäts till ~ 0,8 ± 0,1 nm, tyder på en tjocklek i ett skikt. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw2347
Att undersöka de anmärkningsvärda excitoniska effekterna i tvådimensionella (2-D) halvledare och kontrollera deras excitonbindande energier kan frigöra den fulla potentialen av 2-D-material för framtida applikationer i fotoniska och optoelektroniska enheter. I en färsk studie, Zhizhan Qiu och kollegor vid de tvärvetenskapliga avdelningarna för kemi, teknik, avancerade 2-D-material, fysik och materialvetenskap i Singapore, Japan och USA visade stora excitoniska effekter och gate-tunable exciton-bindande energier i ettskiktigt rheniumdiselenid (ReSe 2 ) på en bakgrindad grafenanordning. De använde skanningstunnelspektroskopi (STS) och differentialreflektansspektroskopi för att mäta kvasipartikel (QP) elektroniskt och optiskt bandgap (Eopt) för ettskikts ReSe 2 för att ge en stor excitonbindande energi på 520 meV.
Forskarna uppnådde kontinuerlig avstämning av den elektroniska bandgap och excitonbindande energi för monoskikt ReSe 2 med hundratals milli-elektronvolts via elektrostatisk gating. Qiu et al. krediterade fenomenet för avstämbara Coulomb-interaktioner som härrör från de grindstyrda fria bärarna i grafen. De nya resultaten publiceras nu Vetenskapliga framsteg och kommer att öppna en ny väg för att kontrollera bandgap-renormalisering och excitonbindande energier i 2-D-halvledare för en mängd olika tekniska tillämpningar.
Atomiskt tunna tvådimensionella (2-D) halvledare uppvisar vanligtvis stor bandgap-renormalisering (förändringar i fysiska kvaliteter) och extraordinära excitoniska effekter på grund av kvantbegränsning och minskad dielektrisk screening. Lättämnesinteraktioner i dessa system styrs av förbättrade excitoniska effekter, som fysiker har studerat för att utveckla excitonbaserade enheter vid rumstemperatur. En unik egenskap hos 2-D halvledare är deras oöverträffade avstämningsförmåga i förhållande till både elektriska och optiska egenskaper på grund av dopning och miljöskärm.
STM -bilder av moirémönster i monoskikt ReSe2/grafen. (A till C) Representativa moirémönster observerade i experimentet. (D till F) Beräknade moirémönster erhållna från den geometriska analysen. θ är staplingsvinkeln mellan ReSe2 och grafen. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaw2347
Forskare kan konstruera teoretiskt förutsagda och experimentellt demonstrerade Coulomb-interaktioner i 2-D-halvledare för att ställa in kvasipartikelbandgapet (t.ex.) och excitonbindande energier (Eb) från prover, med metoder som kemisk dopning, elektrostatisk grindning och konstruktion av miljömässig screening. Bland de rapporterade teknikerna, elektrostatisk gating erbjuder ytterligare fördelar såsom kontinuerlig avstämning och utmärkt kompatibilitet för integration i moderna enheter. Dock, en överlappning av bandkantsabsorptionssteget med starka excitoniska resonanser gör det utmanande att exakt bestämma Eg för 2-D-halvledare enbart från deras optiska absorptionsspektrum.
Forskare hade därför använt skanningstunnelspektroskopi och optisk spektroskopi för att direkt sonda Eb för 2-D-halvledare och mäta Eg och det optiska bandgapet (Eopt). I det nuvarande arbetet, Qiu et al. använde på samma sätt detta tillvägagångssätt för att demonstrera gate-tunable Eg och excitoniska effekter i monolager ReSe 2 på en back-gated graphene field-effect transistor (FET) device. De observerade en stor Eb på 520 meV för monoskikt ReSe 2 vid noll grindspänning, följt av kontinuerlig inställning från 460 till 680 meV via elektrostatisk grindning på grund av grindstyrda fria bärare i grafen. Möjligheten att exakt ställa in bandgapet och de excitoniska effekterna av 2-D-grafenhalvledare kommer att ge en ny väg för att optimera gränssnittsladdningstransport eller effektivitet för lätt skörd. Qui et al. förvänta dig att de nuvarande fynden kommer att ha stor inverkan på nya elektroniska och optoelektroniska enheter baserade på konstgjorda van der Waals heterostrukturer.
Qui et al. först avbildade monoskiktet ReSe 2 att visa en förvrängd 1 T struktur med triklinisk symmetri. De fyra Re-atomerna gled från sina vanliga oktaedriska platser på grund av laddningsfrikoppling för att bilda en 1D-kedjeliknande struktur med sammankopplade diamantformade enheter. På grund av de topologiska egenskaperna, monoskiktet ReSe 2 uppvisade unika anisotropa elektroniska och optiska egenskaper i planet som är användbara för nära-infraröda polarisationskänsliga optoelektroniska applikationer.
Portberoende dI/dV och differentialreflektansspektra för ett monoskikt ReSe2 på grafen. (A) dI/dV -spektrum för monoskikt ReSe2 (blå linje) vid Vg =0 V tillsammans med den beräknade LDOS (streckad röd linje). (B) Energisposition för VB -max (VBM; röda punkter) och CB -minimum (CBM; mörkblå punkter) som en funktion av grindspänningen. (C) Gateberoende dI/dV-spektra för monoskiktet ReSe2 på grafen/h-BN mätt vid 4,5 K. Som applicerad grindspänning anges ovanför varje STS-kurva. VBM och CBM indikerades med ljusröda och ljusblå punkter, respektive. (D) Gateberoende differentialreflektansspektra för monoskiktet ReSe2 på grafen/h-BN mätt vid 5 K.Motsvarande grindspänning anges på sidan av varje differentialreflektansspektrum. Obs:De ursprungliga differentialreflektansspektra efter bakgrundssubtraktion (cirklar); monterade kurvor med Lorentzian -funktionen (heldragna linjer). a.u., godtyckliga enheter. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaw2347.
För att undersöka bärarberoende excitoniska effekter, forskarna överförde först ett monoskikt ReSe 2 fling på en ren bakgrindad grafen FET-enhet (fälteffekttransistor). Anordningen består av flera komponenter enligt ett tidigare etablerat recept för att inkludera en SiO 2 substrat, som kontrasterade med den konstituerande atomiska planheten hos hexagonal bornitrid (hBN) som markant reducerade ytjämnhet och laddningshomogenitet i grafen. Användningen av grafen möjliggjorde direktmätning av tunnelmikroskopi (STM) -mätningar av det gateda enkellagerade ReSe 2 samtidigt som den elektriska kontakten till monoskikt ReSe förbättras 2 .
Efter STM-avbildning avslöjade den atomupplösta bilden en diamantkedjeliknande struktur som förväntat för monoskikt ReSe 2 med en förvrängd 1 T atomstruktur. Forskarna observerade staplingsinriktningen av materialet längs två kristallografiska orienteringar som moirémönster, där monoskikt ReSe 2 innehållande en triklinisk gitter symmetri låg på grafen med en bikakegaller.
Gate-avstämbar bandgap-renormalisering och excitonbindande energi för monoskikt ReSe2 på grafen. (A) Ett diagram över QP -bandgap, t.ex. (svarta punkter), optisk bandgap Eopt (röda punkter), och excitonbindande energi Eb (blå punkter) som en funktion av grindspänning. Obs:Eopt =1,47 ± 0,01 eV förblir konstant när grindspänningen ökar från −40 till 40 V.OBS:Samma Eopt används för beräkning av Eb vid grindspänningen −63, −60, −50, och +45 V. Den blåa linjen hänvisar till den teoretiskt förutsagda Eb som en funktion av grindspänningen (se avsnitt S8 för mer information). (B) Illustration av screening av elektronhålsinteraktioner i monoskikt ReSe2 av de grindstyrda fria bärarna i grafen. (C) Schematisk illustration av gate-tunable Eg och Eb av monoskikt ReSe2 vid grindspänningen −63 och +45 V, respektive. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw2347.
När de undersökte de lokala elektroniska egenskaperna för ReSe 2 med hjälp av STS (scanning tunneling spectroscopy) observerade forskarna differential konduktans (dI/dV) spektra i flera moiréregioner för att uppvisa liknande funktioner. Som ett unikt inslag i studien, Qiu et al. undersökte kvasipartikel (QP) bandstrukturer som en funktion av grindspänning.
Den optiska bandgapet (Eopt) förblev nästan konstant vid alla grindspänningar i motsats till den monotona reduktionen av Eg, i överensstämmelse med tidigare experimentella studier. För att verifiera detta, de utförde fotoluminescensmätningar av monoskiktet ReSe 2 /grafen/h-BN-prov vid olika grindspänningar vid rumstemperatur (RT). De portberoende fotoluminescensspektra avslöjade en nästan konstant Eopt av monolager ReSe 2 .
Forskarna bestämde sedan excitonbindningsenergin och härledde en stor, grindjusterbar bandgap-renormalisering för ReSe 2 i hybridanordningen. De sökte det fysiska ursprunget för den grindjusterbara QP-bandgap-renormaliseringen och excitonbindande energi i monoskiktet ReSe 2 genom att utesluta bidrag från de out-of-plane-fältinducerade polarisationsvågfunktionerna och underbygga deras ursprung från gateinducerade fria bärare i grafen. Teoretiska resultat av studien visade också att måttlig dopning i grafen avsevärt skulle kunna minska excitonbindande energi (Eb) med hundratals milli-elektronvolts när fritt bärarkoncentration i grafen ökade. Dessutom, Qiu et al. jämförde direkt teorin med sina experimentella resultat.
På det här sättet, Zhizhan Qiu och medarbetare skräddarsydde QP-bandgapet och excitonbindande energi framgångsrikt i en 2-D-halvledare genom att kontrollera dopning av den underliggande grafen med elektrostatisk grindning. Resultaten visade att screening från ett grafensubstrat hade stor inverkan på Coulomb -interaktioner som leder till bred avstämning av det elektroniska bandgapet och excitonbindande energi. Fynden avslöjade många elektronfysik i hybrid 2-D halvledare eller grafensystem. Arbetet banar väg för att kontrollera excitoniska effekter och exakt ställa in excitonbindningsenergierna i 2-D halvledare för en mängd olika tekniska tillämpningar.
Beräkning av Eb i monoskikt ReSe2 som en funktion av bärartätheten i grafensubstrat. Excitonbindningsenergi (Eb) och Thomas-Fermi screeningsradie (rs) som en funktion av elektronkoncentration (n) i grafen. (A) Den bärarberoende Eb för
© 2019 Science X Network
