Una clase emergente de heteroestructuras de semiconductores implica apilar monocapas discretas como dicalcogenuros de metales de transición (TMD), p.ej. diselenuro de molibdeno (MoSe2) y diselenuro de tungsteno (WSe2), para formar heteroestructuras de van der Waals. Ambas características de emisión se originan a partir de transiciones excitónicas que son indirectas en el espacio de momento y se dividen por acoplamiento espín-órbita. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval de los EE. UU. (NRL) han fabricado una estructura de dos capas compuesta por dos materiales monocapa diferentes, y observó un estado electrónico único formado por la interacción entre estas dos capas.
Dicalcogenuros de metales de transición (TMD), tales como los compuestos inorgánicos diselenuro de molibdeno (MoSe 2 ) y diselenuro de tungsteno (WSe 2 ), son una clase de materiales en capas bidimensionales (2-D) similares al grafeno. Se pueden fabricar nuevas heteroestructuras apilando monocapas individuales de estos materiales y las propiedades se pueden adaptar a la elección y secuencia de estas monocapas.
"Según los resultados experimentales, Desarrollamos un nuevo modelo de interacción entre estos materiales que tiene amplias implicaciones sobre cómo se comportan y cómo pueden usarse. "dijo el Dr. Aubrey Hanbicki, físicos investigadores y autor principal del estudio. "Mostramos cómo la interacción entre las capas puede alterar su comportamiento para crear un nuevo sistema compuesto".
Esta nueva clase de materiales compuestos de láminas atómicamente delgadas tiene el potencial de afectar una amplia gama de tecnologías importantes para la Marina y el Departamento de Defensa (DoD), afirma el Dr. Berend T. Jonker, investigador principal del esfuerzo. Estos van desde sensores químicos para detectar agentes de guerra química, explosivos y productos químicos industriales tóxicos, a nuevos dispositivos optoelectrónicos para su uso en emisores de fotón único, nano-láseres, fotovoltaica, y fotodetectores.
"En capas individuales, muchos TMD son semiconductores ópticamente activos con algunas propiedades novedosas y exóticas, "Hanbicki explicó." Cuando se ilumina con luz por encima de una longitud de onda específica, dependiendo de la banda prohibida del material, los electrones se excitan desde la banda de valencia hacia la banda de conducción dejando un "agujero" cargado positivamente detrás. El electrón cargado negativamente y su agujero se atraen entre sí y pueden formar un par electrón-agujero llamado excitón. Después de un tiempo muy breve, se recombinan y emiten luz en una longitud de onda característica del material ".
Típicamente, la vida útil de estos excitones es muy corta. Sin embargo, tanto la vida útil como la longitud de onda de emisión se pueden adaptar seleccionando juiciosamente dos monocapas de TMD diferentes para formar una bicapa. Con la elección correcta de materiales, el electrón y el agujero pueden residir en diferentes capas. Estas partículas separadas espacialmente pueden formar un llamado excitón de capa intermedia (ILE), que lleva mucho más tiempo recombinarse.
La interacción y la posterior recombinación dependen en gran medida de la separación física del electrón y el hueco, y se debe tener un cuidado considerable para diseñar el contacto de interfaz entre las capas TMD.
La investigación en NRL utilizó varios procesos de fabricación avanzados para apilar y alinear MoSe de una sola capa 2 se forma escamas en una sola capa de WSe 2 . El MoSe 2 -WSe 2 La pila se encapsuló aún más mediante capas de nitruro de boro hexagonal ultra suave (hBN) y luego se "limpió" utilizando una nueva técnica de aplanamiento desarrollada recientemente por científicos de NRL.
Como resultado, el ultralimpio hBN / MoSe 2 -WSe 2 La pila / hBN exhibe este excitón de capa intermedia único incluso a temperatura ambiente. A bajas temperaturas, la función de emisión ILE se divide en dos picos que proporcionan la primera resolución clara de esta división, y permitir conocer el origen de la propia ILE. En particular, porque los picos de ILE tienen casi la misma intensidad, pero polarización opuesta, Los cálculos teóricos pueden señalar el origen de la ILE.
"Este trabajo representa un avance significativo en nuestra comprensión general de la interacción de TMD en heteroestructuras e informará el diseño e implementación de futuros dispositivos de heteroestructura TMD, "dijo Hanbicki.
Estos resultados de investigación se informan en la revista ACS Nano
