Las heteroestructuras formadas por diferentes semiconductores tridimensionales forman la base de los dispositivos electrónicos y fotónicos modernos. Ahora, Los científicos de la Universidad de Washington han combinado con éxito dos semiconductores ultrafinos diferentes, cada uno con una capa de átomos de grosor aproximado de 100, 000 veces más delgado que un cabello humano, para crear una nueva heteroestructura bidimensional con usos potenciales en energía limpia y electrónica ópticamente activa. El equipo, dirigido por el distinguido profesor asociado de Boeing Xiaodong Xu, anunció sus hallazgos en un artículo publicado el 12 de febrero en la revista Ciencias .

El autor principal Xu y los autores principales Kyle Seyler y Pasqual Rivera, ambos estudiantes de doctorado en el departamento de física de la UW, sintetizó e investigó las propiedades ópticas de este nuevo tipo de semiconductor sándwich.

"Lo que estamos viendo aquí es distinto de las heteroestructuras hechas de semiconductores 3-D, "dijo Xu, quien tiene nombramientos conjuntos en el Departamento de Física y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Hemos creado un sistema para estudiar las propiedades especiales de estas capas atómicamente delgadas y su potencial para responder preguntas básicas sobre física y desarrollar nuevas tecnologías electrónicas y fotónicas".

Cuando los semiconductores absorben la luz, pares de cargas positivas y negativas pueden formarse y unirse para crear los llamados excitones. Los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo se comportan estos excitones, pero cuando se reducen al límite 2-D en estos materiales atómicamente delgados, pueden ocurrir interacciones sorprendentes.

Mientras que los semiconductores tradicionales manipulan el flujo de carga de electrones, este dispositivo permite conservar los excitones en "valles, "un concepto de la mecánica cuántica similar al espín de los electrones. Este es un paso crítico en el desarrollo de nuevas tecnologías a nanoescala que integran la luz con la electrónica.

"Ya se sabía que estos semiconductores 2-D ultradelgados tienen estas propiedades únicas que no se pueden encontrar en otros arreglos 2-D o 3-D, "dijo Xu." Pero como mostramos aquí, cuando juntamos estas dos capas, una encima de la otra, la interfaz entre estas hojas se convierte en el lugar de más propiedades físicas nuevas, que no se ve en cada capa por sí solo o en la versión 3-D ".

Xu y su equipo querían crear y explorar las propiedades de una heteroestructura de semiconductores 2-D compuesta por dos capas diferentes de material, una expansión natural de sus estudios previos sobre uniones atómicamente delgadas, así como láseres a nanoescala basados ​​en capas de semiconductores atómicamente delgadas. Al estudiar cómo la luz láser interactúa con esta heteroestructura, recopilaron información sobre las propiedades físicas en la interfaz atómicamente nítida.

"Muchos grupos han estudiado las propiedades ópticas de hojas 2-D individuales, ", dijo Seyler." Lo que hacemos aquí es apilar cuidadosamente un material sobre otro, y luego estudiar las nuevas propiedades que surgen en la interfaz ".

El equipo obtuvo dos tipos de cristales semiconductores, diselenuro de tungsteno (WSe2) y diselenuro de molibdeno (MoSe2), de colaboradores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Utilizaron instalaciones desarrolladas internamente para organizar con precisión dos capas, uno derivado de cada cristal, un proceso que tardó algunos años en desarrollarse por completo.

"Pero ahora que sabemos cómo hacerlo correctamente, podemos hacer nuevos en una o dos semanas, "dijo Xu.

Conseguir que estos dispositivos emitieran luz supuso un desafío único, debido a las propiedades de los electrones en cada capa.

"Una vez que tenga estas dos hojas de material, una pregunta esencial es cómo colocar las dos capas juntas, "dijo Seyler. Los electrones en cada capa tienen propiedades únicas de espín y valle, y "cómo los coloca, su ángulo de giro, afecta la forma en que interactúan con la luz".

Al alinear las celosías de cristal, los autores pudieron excitar la heteroestructura con un láser y crear excitones ópticamente activos entre las dos capas.

"Estos excitones en la interfaz pueden almacenar información del valle en órdenes de magnitud más largos que cualquiera de las capas por sí mismos, ", dijo Rivera." Esta larga vida permite efectos fascinantes que pueden conducir a más aplicaciones ópticas y electrónicas con funcionalidad de valle ".

Ahora que pueden hacer de manera eficiente una heteroestructura de semiconductores a partir de materiales 2-D, A Xu y su equipo les gustaría explorar una serie de fascinantes propiedades físicas, incluyendo cómo varía el comportamiento de los excitones a medida que cambian los ángulos entre las capas, las propiedades cuánticas de los excitones entre capas y la emisión de luz impulsada eléctricamente.

"Existe toda una industria que quiere utilizar estos semiconductores 2-D para fabricar nuevos dispositivos electrónicos y fotónicos, ", dijo Xu." Así que estamos tratando de estudiar las propiedades fundamentales de estas nuevas heteroestructuras para cosas como la tecnología láser eficiente, diodos emisores de luz y dispositivos captadores de luz. Se espera que sean útiles para aplicaciones de tecnología de la información y energía limpia. Es bastante emocionante, pero hay mucho trabajo por hacer ".