Övergångsmetalldikalkogenid (TMD) halvledare är speciella material som länge har fascinerat forskare med sina unika egenskaper. För det första är de platta, enatomtjocka tvådimensionella (2D) material som liknar grafen. De är föreningar som innehåller olika kombinationer av övergångsmetallgruppen (t.ex. molybden, volfram) och kalkogenelement (t.ex. svavel, selen, tellur).
Vad som är ännu mer fascinerande är att sammansättning av olika TMD-lager i vertikala staplar skapar ett nytt artificiellt material som kallas en van der Waals (vdW) heterostruktur. Genom att inkorporera olika material blir det möjligt att kombinera egenskaperna hos enskilda lager, vilket ger nya optoelektroniska enheter med skräddarsydda egenskaper. Detta öppnar dörren för att utforska grundläggande fysik, såsom interlayerexcitoner, twistronics och mer.
Men hittills har inga forskare studerat om en förändring av staplingsordningen påverkar de spektroskopiska egenskaperna hos dessa heterostrukturer. Under lång tid ledde bristen på förståelse för TMD-heterostrukturer till en tvivelaktig hypotes att förändring av staplingsordningen för lagren inte påverkar deras egenskaper. Studien är publicerad i tidskriften Nature Communications .
Detta avslogs nyligen av ett team av forskare vid Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP), Institute for Basic Science (IBS) i Sydkorea. Under ledning av professor LEE Young Hee upptäckte gruppen att den sekventiella ordningen av lagren i heterostrukturer påverkar genereringen av "mörka excitoner" i materialet. Detta fynd antydde den extra vikten av att överväga att stapla beroende av dessa material i sekventiell ordning för vidare användning i verkliga enhetsapplikationer.
Excitoner representerar en elektron och ett positivt laddat hål (en plats där en elektron är frånvarande) sammanbundna av elektrostatisk attraktion i ett fast material, vanligtvis en halvledarkristall. Enskikts TMD-halvledare har ett direkt bandgap och uppvisar optiskt tillgängliga "ljusa excitoner". Samtidigt finns det också "mörka excitoner", som är utmanande att studera på grund av sin osynlighet. De underliggande mekanismerna som ger upphov till dessa anomalier är dock inte helt klarlagda.
IBS-forskarna observerade ett anmärkningsvärt fenomen:uppkomsten eller försvinnandet av ytterligare fotoluminescenstoppar (PL) baserat på olika staplingssekvenser. Denna tidigare orapporterade effekt har bekräftats vara reproducerbar över flera heterostrukturer.
Forskarna tillskrev ursprunget till dessa ytterligare toppar till uppkomsten av mörk exciton som uteslutande ligger i det översta lagret av heterostrukturen, vilket ytterligare bekräftas av scanning tunneling microscopy (STM). Forskare förväntar sig att denna egenskap kan användas för optiska strömbrytare i solpaneler.
Dr Riya Sebait, den första författaren till studien sa:"Våra experimentella resultat visar tydligt staplingssekvensberoende anomala egenskaper, som potentiellt kan vara banbrytande för ett nytt studieområde som heter "fliptronics." När vi vänder eller inverterar heterostrukturen genomgår band en unik renormalisering."
Ett rent, restfritt gränssnitt är nödvändigt för att undersöka staplingssekvensberoende egenskaper. Denna studie representerar ett betydande genombrott eftersom detta var första gången. Det visades att ändring av staplingsordningen i heterostrukturen kan leda till förändringar i dess fysikaliska egenskaper.
Forskare försökte förklara detta flip-inducerade fenomen genom att titta på den mikroskopiska modellen med många partiklar, vilket tyder på att lagerberoende stam kan vara en möjlig lösning på detta pussel.
Om man antar att det översta lagret blir mer ansträngt jämfört med det undre lagret visar de beräknade data med den teoretiska modellen god överensstämmelse med de experimentella resultaten. Detta tyder på att denna staplingssekvensberoende kräver ytterligare studier, inte bara för att förstå den underliggande fysiken utan också för dess verkliga enhetstillämpningar.
Dessutom underlättar denna studie också användningen av momentum-förbjudna mörka excitoner, eftersom det på grund av den unika bandrenormaliseringen vid heterostrukturen är möjligt att omvandla dem till ljusa excitoner.
Prof. Young Hee Lee, huvudförfattaren, sa:"Detta exceptionella fenomen med uppkomsten av mörka excitoner vid dubbelskiktsheterostrukturen kommer att inspirera andra forskare att gräva djupare i att förstå och utnyttja dessa extraordinära egenskaper för tillämpningar."
Detta arbete utfördes i tvärvetenskapliga samarbeten med Prof. Ermin Malic vid Philipps-Universität Marburg, Tyskland, och forskarkollegan Seok Jun Yun från Oak Ridge Laboratory, USA.
Mer information: Riya Sebait et al, Sekventiell ordningsberoende mörkexcitonmodulering i tvåskiktad TMD-heterostruktur, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41047-6
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Institute for Basic Science
