(Phys.org) - Un equipo de investigadores de Berkeley Lab cree que ha descubierto el secreto detrás de las inusuales propiedades optoelectrónicas de las capas atómicas individuales de materiales de dicalcogenuro de metal de transición (TMDC), los semiconductores bidimensionales que son muy prometedores para aplicaciones nanoelectrónicas y fotónicas.

Usando espectroscopia de excitación de dos fotones, los investigadores probaron monocapas de disulfuro de tungsteno, uno de los materiales 2D más prometedores, y encontró evidencia de la existencia de estados oscuros excitónicos, estados de energía en los que fotones individuales no pueden ser absorbidos ni emitidos. Los miembros del equipo de investigación predijeron que estos excitones tenían una secuencia de energía inusual a partir de cálculos ab initio. además de energía de enlace excitónica y bandgaps que son mucho más grandes de lo que se sospechaba anteriormente para los materiales 2D TMDC.

"El descubrimiento de una gran energía de enlace excitónica y bandgaps y su naturaleza no higrógena en materiales semiconductores 2D es importante no solo para comprender la interacción sin precedentes entre la luz y la materia que surge de un fuerte efecto de muchos cuerpos, sino también para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas, como los LED ultracompactos, sensores y transistores, "dice Xiang Zhang, director de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y líder de este estudio. "Una energía de enlace tan grande, 0,7 eV, también podría hacer que los excitones a temperatura ambiente sean estables para futuros esfuerzos de computación cuántica".

Zhang tiene la cátedra Ernest S. Kuh Endowed Professor en la Universidad de California (UC) Berkeley, dirige el Centro de Ingeniería y Ciencia a nanoescala de la National Science Foundation, y es miembro del Instituto Kavli Energy NanoSciences en Berkeley. Él y el físico teórico de Berkeley Lab Steven Louie, también con la División de Ciencias de los Materiales y UC Berkeley, son los autores correspondientes de un artículo en Nature que describe esta investigación. El artículo se titula "Exploración de estados excitónicos oscuros en disulfuro de tungsteno de una sola capa". Los coautores son Ziliang Ye, Ting Cao, Kevin O'Brien, Hanyu Zhu, Xiaobo Yin, y Yuan Wang.

Los excitones son pares unidos de electrones excitados y huecos que pueden causar desviaciones significativas entre las energías de emisión o absorción de fotones y las bandas electrónicas que permiten que los semiconductores funcionen en los dispositivos. Los materiales 2D TMDC han generado un gran revuelo en la industria electrónica porque ofrecen una eficiencia energética superior y transportan densidades de corriente mucho más altas que el silicio. Es más, a diferencia del grafeno, el otro semiconductor 2D altamente promocionado, Los TMDC tienen bandgaps finitos. Esto los hace más listos para dispositivos que el grafeno, que no tiene bandgaps naturales. Sin embargo, los signos de interrogación que se ciernen sobre el tamaño de la banda prohibida y el efecto excitónico en los TMDC 2D han obstaculizado su desarrollo.

"Al revelar experimentalmente estados oscuros excitónicos 2D en una monocapa de TMDC, Hemos demostrado efectos intensos de muchos electrones en esta clase de semiconductores 2D, "dice Ziliang Ye, miembro del grupo de investigación de Zhang y uno de los dos autores principales del Naturepaper. "Nuestro descubrimiento proporciona una base para explotar las interacciones inusuales entre la luz y la materia que resultan de fuertes efectos excitónicos, y también debería permitir mejores diseños de heteroestructuras que involucren monocapas TMDC ".

Además de LED y fotodetectores, el descubrimiento de estados oscuros excitónicos fuertemente ligados también podría tener implicaciones importantes para "valleytronics, "una nueva ruta potencial muy prometedora hacia la electrónica novedosa y el procesamiento de datos ultrarrápido.

"En Valleytronics, la información está codificada en un número cuántico de onda que describe a qué valle del paisaje de energía-momento pertenece un portador a medida que se mueve a través de una red cristalina, ", dice Louie." Nuestro trabajo proporciona nuevos conocimientos e información sobre los estados de fotoregeneración, y en los portadores resultantes donde se codifica la información del valle ".

Dice Ting Cao, miembro del grupo de investigación de Louie y el otro autor principal del artículo de Nature, "Los TMDC 2D también deberían ser adecuados para la próxima generación de dispositivos flexibles y dispositivos electrónicos portátiles".