Kristallstruktur och bandstruktur för skiktad SiP2 . a , Schematisk skiktad struktur av SiP2 (Pnma , gruppnummer 62). x,y,z koordinatsystemet definieras enligt kristallstrukturen, som visas i det nedre vänstra hörnet. Den blå skuggningen framhäver PB –PB kedjor som bildas av PB atomer längs y riktning av kristallgittret, som spelar en avgörande roll för att generera kvasi-1D elektroniska och excitoniska tillstånd. b –d , Ovanifrån (b ) och tvärsnitt (c ,d ) STEM–ADF-bilder av SiP2 ses längs y axel (c ) och x axel (d ). Gröna och cyanstreckade rektanglar representerar det periodiska gittret med ABAB-staplingsordningen SiP2 skikten. Skalstaplar, 1 nm. e , Elektronisk bandstruktur för bulk SiP2 beräknat från GW metod. Insättningen visar den första BZ av bulk SiP2 . SiP2 är en halvledare med ett indirekt bandgap på 2,14 eV. Valensbandets maximum är vid Γ-punkten och ledningsbandets minimum är placerat längs Γ–Y-riktningen. Ledningsbandets minimitillstånd bidrar inte till bildandet av A-excitonen på grund av de stora direkta mellanbandsövergångsenergierna vid denna plats. f , Laddningsdensitetsfördelning av ledningsbandets kant (vänster) och valensbandskanten (höger) i verkligt utrymme. Isoytan på tomten är 0,02 e Å − 3 . Kredit:Naturmaterial (2022). DOI:10.1038/s41563-022-01285-3
Forskare från Nanjing University och Beihang University i Kina och Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Hamburg, Tyskland, har producerat en ny klass av exciton med hybriddimensionalitet genom att konstruera egenskaperna hos skiktad kiseldifosfid (SiP₂) . Deras arbete har publicerats i Nature Materials .
Excitoner är bundna partiklar som består av en negativt laddad elektron och ett positivt laddat elektronhål. Deras exotiska beteende erbjuder en viktig ny plattform för att studera materialens fysik när de kopplas till andra materiatillstånd, såsom vibrationer i materialets kristallgitter.
Med hjälp av SiP₂ tillverkade forskare i Kina en ny typ av material vars 2D-lager är bundna av van der Waals-krafter och har starka interna kovalenta interaktioner. Detta producerar märkliga endimensionella fosforkedjor längs vilka elektroniska tillstånd kan lokaliseras. Teamet lyckades sedan konstruera en ny sorts exciton med hybriddimensionalitet i detta skiktade material, vilket innebär att elektronen har en 1D-karaktär och hålet visar 2D-egenskaper. Det är första gången ett sådant fenomen har observerats. Teoretiker vid MPSD bekräftade resultaten med avancerade simuleringar.
Genom att exponera materialet för laserljus kunde experimentalisterna skapa och därefter undersöka dessa exitoniska tillstånd, som uppträder som toppar i de uppmätta spektra. Speciellt visar uppkomsten av en märklig sidotopp till den huvudsakliga excitoniska toppen i spektrat en distinkt signatur av hybriddimensionalitetsexcitonerna:På grund av deras starka beroende av materialets inre struktur förväntas de nyskapade excitonerna interagera starkt med andra materialexcitationer, såsom gittervibrationer som förändrar fosforkedjorna i SiP₂.
Teorigruppen vid MPSD bekräftade därefter dessa fynd genom omfattande analys, med hjälp av state-of-the-art metoder för att undersöka de excitoniska partiklarna. Deras simuleringar visar att partikeln består av ett positivt laddat hål med 2D-karaktär och en negativt laddad elektron som är lokaliserad längs de 1-dimensionella fosforkedjorna, vilket ger upphov till excitoner med blandad dimensionalitet.
Teoretikerna visade att en sådan exciton interagerar starkt med gittervibrationer, vilket genererar den experimentellt uppmätta sidotoppfunktionen. En sådan egenskap har hittills bara uppmätts i lågdimensionella material som grafennanorör eller dikalkogenidmonoskikt av övergångsmetall, men inte i bulkmaterial som SiP₂.
Detta samarbete har visat existensen av exciton-fonon-sidoband i en 3D-bulkkristall såväl som excitoniska tillstånd med hybriddimensionalitet. Med forskare som letar efter nya sätt att kontrollera och undersöka växelverkan mellan kvasipartiklar som excitoner, fononer och andra i fasta material, representerar dessa fynd viktiga framsteg.
"Vårt tillvägagångssätt ger en spännande plattform för att studera och konstruera nya materiatillstånd som trioner (två elektroner och ett hål eller vice versa) och mer komplexa partiklar med hybriddimensionalitet", säger medförfattare Peizhe Tang, professor vid Beihang University och besöker forskare vid MPSD.
Medförfattare Lukas Windgötter, doktorand i institutets teorigrupp, tillägger:"För mig är det spännande hur man kan kontrollera interaktioner mellan partiklar genom tekniska fasta ämnen. Speciellt att kunna skapa kompositpartiklar med hybriddimensionalitet öppnar vägar till undersöka ny fysik." + Utforska vidare
