Kredit:Rasmus Godriksen
Atomtunna halvledare som molybdendisulfid och volframdisulfid är lovande material för fotoniska enheter i nanoskala. Dessa ungefär 2D-halvledare stödjer så kallade excitoner, som är bundna elektron-hål-par, som kan riktas in vertikalt längs materialens tunna plan.
Excitoner är bundna elektron-hålpar som kan interagera med elektriska laddningar, spinn och fononer. Detta intervall av interaktioner indikerar att excitoner kan förebåda en ny våg av enheter baserade på nanoskala fotonik och optoelektronik.
För sin Ph.D. avhandling, Rasmus Godiksen undersökte excitonbeteendet i atomärt tunna halvledare, med fokus på emitterat ljus, genom att utforska potentialen för excitoner i ultratunna halvledare som molybdendisulfid (MoS2 ) och volframdisulfid (WS2 ). Halvledarna är så tunna att de kan uppskattas som 2D-material. Så i själva verket studerade Godiksen excitoner i 2D-material.
Känslighet
Först visade Godiksen och hans medarbetare att 2D-excitonerna är mycket känsliga för sin nanoskopiska miljö. Med hjälp av fotoluminescens (PL) avbildningstekniker mätte de fluorescensfluktuationer på grund av laddningsöverföring till halvledaren. Sådana fluktuationer är rumsligt korrelerade över tiotals mikrometer i WS2 monolager på metallfilmer.
På grund av laddningsfluktuationer från fälltillstånd (vilket är tillstånd som fångar exciterade bärare som elektroner, hål och excitoner), följer de kraftlagsstatistik med samtidiga förändringar i emissionsintensitet, livslängd och exciton-trionförhållanden. Kraftlagsstatistik är en indikator på infångning och avfångning av excitoner, så detta ger bevis på fångade tillstånd.
Dalfrihetsgrad
Excitoner i WS2 har också en grad av frihet med avseende på dalar, som kopplar spinpolarisering till momentumriktning. Dalar i bandstrukturen kan utforskas med cirkulärt polariserat ljus. Att spännande eller upptäcka en exciton i en dal kan till exempel användas inom informationsteknik.
För att förklara kontrasten i spin-dal polarisation i några lager av WS2 och volframdiselenid (WSe2 ), använde Godiksen lager- och temperaturberoende cirkulärt polariserade PL-mätningar. Detta relaterade deras kontrasterande polarisationer till ett annat momentum för deras ledningsbandsminima.
Den övergripande spin-daldynamiken styrs av exciton- och dallivslängderna. Dalpolariserad emission bestäms av konkurrerande livstider – excitonlivslängden och dallivslängden. Genom att minska excitonens livslängd är det möjligt att öka dalpolariserad emission. Detta beror på att excitoner rekombinerar och avger ljus snabbare än de sprider till de andra tillgängliga dalarna.
Genom att ändra avståndet för en WS2 dubbellager till en spegel, ökar excitationsförstärkningen exciton-excitonförintelse, vilket resulterar i högre polarisering.
Silicon nanoresonatorer
Slutligen studerade Godiksen användningen av kiselnanoantenn för att ytterligare förbättra interaktionen av cirkulärt polariserat ljus med dalpolariserade excitoner. Han visade att nanoskivor av kristallina kisel bevarar den cirkulära polariseringen av ljus i närområdet som krävs för ytterligare förbättring av dalpolariserad emission.
Godiksens resultat främjar förståelsen av interaktionerna mellan excitoner och laddningar, spinn och fotoner med implikationer för en rad nanofotoniska enheter som använder atomärt tunna halvledare.
Enfotonkällor är intressanta för kvantberäkning, molekylära sensorer kan öka känsligheten ner till en enda molekylnivå, och valleytroniska enheter kan bana väg för en ny generation elektroniska enheter baserade på dalpolarisering. + Utforska vidare
