Científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL), División de Ciencia y Tecnología de Materiales, han demostrado que la intensidad y la composición espectral de la fotoluminiscencia emitida por una única monocapa de disulfuro de tungsteno (WS2) puede ser controlada espacialmente por los dominios de polarización en una película adyacente del material ferroeléctrico titanato de circonio y plomo (PZT).

Estos dominios se escriben en el PZT utilizando un microscopio conductor de fuerza atómica, y la fotoluminiscencia (PL) se mide en aire a temperatura ambiente. Debido a que el ancho de la pared del dominio de polarización en un ferroeléctrico puede ser tan bajo como 1-10 nm, este enfoque permite la modulación espacial de la intensidad de PL y las correspondientes poblaciones de portadores con potencial de resolución a nanoescala.

Dicalcogenuros de metales de transición de una sola capa (TMD) como WS2 exhiben propiedades ópticas sorprendentes debido a su banda prohibida directa. El cribado dieléctrico es muy bajo debido a su carácter bidimensional (2D), y así sus propiedades se ven fuertemente afectadas por su entorno inmediato, y puede modificarse y controlarse mediante variaciones en la densidad de carga local debido a adsorbatos o activación electrostática. Esto ha generado un gran interés en una amplia variedad de aplicaciones de dispositivos electrónicos y ópticos.

El científico de NRL usó un microscopio de fuerza atómica conductor para escribir dominios de polarización en una película PZT en un patrón de tablero de ajedrez. En cada dominio, el dipolo de polarización apunta hacia arriba fuera del plano de la superficie o hacia abajo hacia el plano de la superficie, y produce carga positiva o negativa en la superficie del PZT, respectivamente. Luego, el equipo transfirió la monocapa WS2 que habían cultivado mediante técnicas de deposición de vapor químico a la película de PZT.

Descubrieron que la intensidad PL del WS2 es alta solo en las áreas sobre dominios en el PZT donde el dipolo de polarización apunta fuera del plano de la superficie, como se muestra en la figura adyacente. Un análisis más detallado reveló que la composición espectral del PL también se vio fuertemente afectada:los espectros de los dominios "ascendentes" estaban dominados por contribuciones de excitones neutros (un estado ligado de un electrón y un agujero que surge de la interacción de Coulomb), mientras que los de los dominios "inferiores" estaban dominados por excitones cargados negativamente, o trion, contribuciones (un excitón con un electrón extra).

"La fabricación de estas heteroestructuras ferroeléctricas híbridas 2D / 3-D permite diseñar y modular a propósito poblaciones adyacentes de triones y excitones neutros, creando dominios laterales en cualquier geometría de elección ", señala el Dr. Berend Jonker, científico senior e investigador principal. Dra. Connie Li, autor principal del estudio, señala además:"Debido a que los dominios FE se pueden reescribir con un microscopio de fuerza atómica y no son volátiles, esto permite la modulación espacial de las propiedades de TMD con una resolución de escala nanométrica ".

La recompensa incluye el desarrollo de materiales TMD y heteroestructuras híbridas 2D / 3-D con nueva funcionalidad relevante para la misión DoD, incluida la electrónica de potencia ultrabaja, memoria óptica no volátil y computación cuántica para futuras aplicaciones del Departamento de Defensa en procesamiento y detección de información.