Det framväxande området för valleytronics, som utnyttjar momentumpreferensen hos exciterade elektroner, eller excitoner, i en mängd olika optoelektroniska enheter, är nära kopplat till tillverkningen av nya 2D-material som bara är atomtjocka. Den här månaden har en grupp valleytronicsforskare från Central South University i Changsha, Kina, utvecklat ett sådant 2D-material som avsevärt förbättrar användbarheten av dessa spännande partiklar.

Detaljerna för dess tillverkning och en förtydligande av dess egenskaper beskrivs i tidskriften Nano Research .

Inom materialvetenskapen hänvisar termen 2D-material till fasta ämnen som bara är ett lager av atomer tjockt. Dessa är av intresse inte bara för att de är väldigt små utan för att nya fysikaliska egenskaper uppstår när ett material tunnas ut till bara detta ena atomskikt. Det kanske mest kända 2D-materialet är grafen, ett enda lager av kolatomer, som har några häpnadsväckande egenskaper som skiljer sig mycket från andra former som kol tar när det kommer i bulk (eller mer formellt "bulkkristall"), inklusive att vara cirka 200 gånger starkare än stål.

Men det finns hundratals andra typer av 2D-material, som återigen erbjuder mycket olika egenskaper till sin bulkkristallform. Ett sådant 2D-material, övergångsmetalldikalkogenid, eller TMD, är av särskilt intresse inom optoelektronikens värld, vetenskapen och tekniken för ljusemitterande och ljusdetekterande enheter. Bakom alla optoelektroniska enheter ligger den fotovoltaiska effekten, eller genereringen av elektrisk ström i ett material när det träffas av en ljusstråle - som i en fotovoltaisk cell i en solpanel, och dess omvända form, produktionen av ljus från elektriska signaler.

Sådan teknik beror på material som är halvledare. För att använda exemplet med PV-cellen igen, när ljus träffar en halvledare, är denna energi tillräcklig för att excitera elektroner för att hoppa ett "bandgap" upp från valensnivån för en atom till dess ledningsnivå - där dessa exciterade elektroner, eller mer helt enkelt excitoner, kan nu flyta fritt i en elektrisk ström. I själva verket har ljuset omvandlats genom denna speciella bandgap-egenskap hos halvledare till elektrisk energi. Samma bandgap-egenskap är det som gör att transistorer – gjorda av halvledarmaterial som kisel – fungerar som på/av-brytare som används för att lagra data i form av ettor och nollor, eller "bitar" i datorer.

2D-materialet grafen, en halvmetall, har inget bandgap. Det är en ledare, inte en halvledare. Enkla lager ("monolager") av TMD – gjorda av en övergångsmetallatom som molybden eller volfram bunden till en atom från samma kolumn på det periodiska systemet som syre (kalkogener), såsom svavel, selen eller tellur – gör dock har ett bandgap. Detta gör TMD:er mycket intressanta för tillverkning av transistorer och andra optoelektroniska enheter.

Precis som ett materials monolager har olika egenskaper än samma material i bulkkristallform, kan 2D-material som är två eller tre lager (dubbellager eller trelager) tjocka ha olika egenskaper igen till samma material i monolagerform. Och ett flerskikts 2D-material som består av skikt av två eller flera olika material kallas en heterostruktur, som kommer att åtnjuta ännu fler skillnader i sina egenskaper.

Strängt taget syftar termen exciton på både elektronen och det tomma utrymme eller "hål" som den lämnar efter sig men som den förblir attraherad och därmed bunden till:ett elektron-hål-par. Eftersom elektronen har en negativ laddning kan elektronhålet sägas ha en positiv laddning. Tillsammans är elektron-hålsparet, eller excitonen, en elektriskt neutral "kvasipartikel".

Excitoner i 2D-material gynnar också ett av två momentumtillstånd, beroende på polariseringen av ljus som har exciterat dem. Dessa gynnade momenta kallas ofta "dalar", eftersom det tar mycket energi att flytta en exciton upp från ett gynnat momentumtillstånd ner till det andra.

Denna på/av, binära karaktär hos sådana excitondalar erbjuder potentiellt ett nytt sätt att lagra lite och utföra logiska operationer. Det framväxande området "valleytronics", som undersöker detta fenomen, har exploderat de senaste åren på grund av mängden potentiella tillämpningar, inklusive otroligt snabba logiska operationer och, kanske en dag, små kvantberäkningar i rumstemperatur.

Vanligtvis finns excitoner i ett lager av 2D-material - en intralagerexciton. Men det finns också en exotisk interlagertyp av exciton, en som existerar mellan två monolager, med elektronen och hålet placerade i olika lager. Dessa mellanskiktsexcitoner har i sig olika nya och lockande egenskaper, inklusive betydligt längre livslängder än sina motsvarigheter inom skiktet, vilket utökar applikationerna i excitonanordningar med lång livslängd.

Dubbelskikt av TMD:er har under de senaste åren blivit särskilt attraktiva för optoelektronikforskare eftersom de är särskilt bra på att hysa dessa interlagerexcitoner.

Men forskarna vid Central South University trodde att de kunde gå ett lager bättre.

"De flesta TMD-excitonstudier är besatta av heterostrukturer som består av två olika monolager-TMD", säger Yanping Liu, en fysiker och ingenjör specialiserad på valleytronics och motsvarande författare till artikeln. "Men vårt intresse var att designa en heterostruktur i tre lager med bandinriktning av typ II."

Jämfört med tvåskikts TMD-heterostrukturer med typ II-bandinriktning, erbjuder treskiktstyp-II-bandinriktningen i princip en rad effektivitetsförbättringar, och mellanskiktsexcitonerna bör ha en ännu längre livslängd, vilket ökar applikationspotentialen för TMD:er i enheter som fotodetektorer , lysdioder, lasrar och solceller. Men fram till nu hade mellanskiktsexcitonerna endast observerats i tvåskikts TMD-heterostrukturer.

Teamet kunde tillverka en trelagers TMD-heterostruktur (bestående av molybden och svavel, molybden och selen och volfram och selen), som de sedan observerade med hjälp av fotoluminescensspektroskopi. De bekräftade förekomsten av mellanskiktsexcitoner och beskrev olika egenskaper och krav för fenomenet.

Efter att ha tillverkat den nya TMD-heterostrukturen, bekräftat existensen av långlivade interlager-excitoner och omfattande katalogiserade egenskaper och krav, måste teamet nu undersöka mer exakt utbudet av potentiella tillämpningar för deras TMD i optoelektroniska enheter. + Utforska vidare

Atomtunna halvledare för nanofotonik