a, Modulación de la interacción de Coulomb. (izquierda) Ilustración del aumento de la detección de interacciones de Coulomb en semiconductores 2D. (derecha) Ilustración esquemática que muestra el impacto del aumento de la detección de interacciones de Coulomb en la banda prohibida electrónica (Ej.), energía de enlace de excitones (Eb) y banda prohibida óptica (Eopt) de semiconductores 2D. B, Modulación a través de la distribución inicial de fotoportadores en estructuras de bandas electrónicas (izquierda) La estructura de bandas electrónicas de TMD monocapa por cálculo de DFT. El área verde muestra la región de anidación de bandas. (derecha) Vías de relajación de los fotoportadores en TMD monocapa, donde la excitación es desde el estado fundamental (GS) a la región de anidación de banda (BN). C, Modulación mediante acoplamiento interfacial electrón-fonón. (izquierda) Ilustración del acoplamiento interfacial electrón-fonón (e-ph). (derecha) Dinámica del fotoportador de monocapa MoSe2 en diferentes sustratos. D, Modulación a través de la ingeniería de alineación de bandas de heteroestructuras vdW. (izquierda) Alineación de bandas de la muestra de tres capas de grafeno / MoS2 / MoSe2. (derecha) Transferencia de electrones de MoSe2 al grafeno y su vida útil en la tricapa. Crédito:Yuhan Wang, Zhonghui Nie, Fengqiu Wang
Los semiconductores bidimensionales (2D) pueden albergar un rico conjunto de especies excitónicas debido a las interacciones de Coulomb muy mejoradas. Los estados excitónicos pueden exhibir grandes intensidades de oscilador y fuertes interacciones luz-materia, y dominar las propiedades ópticas de los semiconductores 2D. Además, debido a la baja dimensionalidad, La dinámica excitónica de los semiconductores 2D puede ser más susceptible a varios estímulos externos, enriqueciendo los posibles métodos de adaptación que se pueden explotar.
Comprender los factores que pueden influir en la dinámica de los estados excitados generados ópticamente representa un aspecto importante de la física excitónica en semiconductores 2D, y también es crucial para la aplicación práctica, ya que la vida útil de los estados excitados está vinculada a las cifras clave de mérito de múltiples dispositivos optoelectrónicos y fotónicos. Si bien se han acumulado ciertas experiencias para semiconductores a granel, la naturaleza atómica de los semiconductores 2D podría hacer que estos enfoques sean menos efectivos o difíciles de adaptar. Por otra parte, las propiedades únicas de los semiconductores 2D, como los estados excitónicos robustos, la sensibilidad a los factores ambientales externos y la flexibilidad en la construcción de heteroestructuras vdW, prometen estrategias de modulación diferentes a las de los materiales convencionales.
En un nuevo artículo de revisión publicado en Luz:ciencia y aplicaciones, un equipo de investigadores, dirigido por el profesor Fengqiu Wang de la Universidad de Nanjing, China resume el conocimiento obtenido hasta ahora y los avances en la modulación de la dinámica de relajación del fotoportador en semiconductores 2D. Después de un breve resumen sobre la dinámica de relajación del fotoportador en semiconductores 2D, los autores primero discuten la modulación de las interacciones de Coulomb y los efectos resultantes sobre las propiedades transitorias. Las interacciones de Coulomb en semiconductores 2D se pueden modular mediante la introducción de una pantalla adicional del entorno dieléctrico externo o portadores de carga inyectados, que conduce a la modificación de bandgaps de cuasi-partículas y la energía de enlace del excitón. Luego, se discuten los factores que influyen en la dinámica del fotoportador y los métodos de manipulación de acuerdo con las vías o mecanismos de relajación con los que están asociados.
El primer factor discutido es la distribución inicial de fotoportadores en estructuras de bandas electrónicas, que pueden afectar sus procesos de descomposición al permitir diferentes vías de relajación disponibles en el espacio de energía e impulso. A continuación, se comenta la relajación asistida por defectos y asistida por fonones. Si bien los enfoques que utilizan la relajación asistida por defectos, como el bombardeo de iones y la encapsulación, son similares a los de los semiconductores a granel, la modulación de la relajación asistida por fonones para semiconductores 2D puede ser diferente.
"Por un lado, el acoplamiento entre portadores de carga y fonones puede mejorarse debido al apantallamiento dieléctrico suprimido; por otra parte, la alta relación superficie-volumen hace que los materiales 2D sean más susceptibles al entorno fonónico externo ". la flexibilidad en la construcción de heteroestructuras vdW y la transferencia de carga ultrarrápida a través de las interfaces permite adaptar la dinámica del fotoportador a través de la ingeniería de alineación de banda.
La transición entre diferentes especies de partículas también ofrece la oportunidad de modular cambiando las proporciones entre diferentes cuasipartículas, que puede modificar la porción relativa de diferentes vías de relajación, y por tanto las respuestas ópticas transitorias de toda la muestra. Al final, Se discute la modulación de la dinámica de polarización de espín / valle en TMD 2D, y la discusión se centra principalmente en los métodos para aumentar la vida útil de la polarización de espín / valle.
A través de esta revisión, los autores tienen como objetivo proporcionar una guía para el desarrollo de métodos robustos que sintonicen los comportamientos de relajación del fotoportador y fortalezcan la comprensión física de este proceso fundamental en semiconductores 2D. Como señalan los autores en conclusión, "Aún se necesitan enormes esfuerzos de investigación tanto en la comprensión fundamental como en la modulación práctica de la relajación del fotoportador en semiconductores 2D".
