El campo emergente de la Valleytronics, que explota la preferencia de momento de los electrones excitados, o excitones, en una variedad de dispositivos optoelectrónicos, está estrechamente relacionado con la fabricación de nuevos materiales 2D de solo átomos de espesor. Este mes, un grupo de investigadores de valleytronics de la Universidad Central del Sur en Changsha, China, desarrolló uno de esos materiales 2D que mejora significativamente la utilidad de estas partículas excitantes.

Los detalles de su fabricación y una aclaración de sus propiedades se describen en la revista Nano Research .

En el ámbito de la ciencia de los materiales, el término materiales 2D se refiere a sólidos que tienen solo una capa de átomos de espesor. Estos son de interés no solo porque son muy pequeños, sino porque surgen nuevas propiedades físicas cuando un material se adelgaza hasta solo esta capa atómica. Quizás el material 2D más famoso es el grafeno, una sola capa de átomos de carbono, que tiene algunas propiedades sorprendentes muy diferentes de otras formas que adopta el carbono cuando se presenta a granel (o más formalmente, "cristal a granel"), incluida unas 200 veces más fuerte que el acero.

Pero hay cientos de otros tipos de materiales 2D, que nuevamente ofrecen propiedades muy diferentes a su forma de cristal a granel. Uno de estos materiales 2D, el dicalcogenuro de metal de transición o TMD, es de particular interés en el mundo de la optoelectrónica, la ciencia y la tecnología de los dispositivos emisores y detectores de luz. Detrás de todos los dispositivos optoelectrónicos se encuentra el efecto fotovoltaico, o la generación de corriente eléctrica en un material cuando lo golpea un haz de luz, como en una celda fotovoltaica en un panel solar, y su forma inversa, la producción de luz a partir de señales eléctricas.

Tal tecnología depende de materiales que son semiconductores. Para usar nuevamente el ejemplo de la celda fotovoltaica, cuando la luz golpea un semiconductor, esta energía es suficiente para excitar los electrones para saltar una "brecha de banda" desde el nivel de valencia de un átomo hasta su nivel de conducción, donde estos electrones excitados, o más. simplemente excitones, ahora pueden fluir libremente en una corriente eléctrica. En efecto, la luz se ha transformado a través de esta propiedad especial de banda prohibida de los semiconductores en energía eléctrica. Esta misma propiedad de banda prohibida es lo que permite que los transistores, hechos de material semiconductor como el silicio, actúen como interruptores de encendido/apagado utilizados para almacenar datos en forma de unos y ceros, o "bits" en las computadoras.

El material 2D grafeno, un semimetal, no tiene banda prohibida. Es un conductor, no un semiconductor. Sin embargo, las capas individuales ("monocapas") de TMD, hechas de un átomo de metal de transición como el molibdeno o el tungsteno unido a un átomo de la misma columna en la tabla periódica que el oxígeno (los calcógenos), como el azufre, el selenio o el telurio. tener una brecha de banda. Esto hace que los TMD sean muy interesantes para la fabricación de transistores y otros dispositivos optoelectrónicos.

Así como la monocapa de un material tiene propiedades diferentes del mismo material en forma de cristal a granel, los materiales 2D que tienen dos o tres capas (bicapa o tricapa) de espesor pueden tener propiedades diferentes al mismo material en forma de monocapa. Y un material 2D multicapa compuesto por capas de dos o más materiales diferentes se denomina heteroestructura, que disfrutará de aún más diferencias en sus propiedades.

Estrictamente hablando, el término excitón se refiere tanto al electrón como al espacio vacío o "agujero" que deja atrás pero al que permanece atraído y, por lo tanto, unido:un par electrón-agujero. Como el electrón tiene carga negativa, se puede decir que el hueco del electrón tiene carga positiva. Combinado, el par electrón-hueco, o excitón, es una "cuasippartícula" eléctricamente neutra.

Los excitones en materiales 2D también favorecen uno de los dos estados de impulso, dependiendo de la polarización de la luz que los haya excitado. Estos momentos favorecidos a menudo se conocen como "valles", ya que se necesita mucha energía para mover un excitón de un estado de momento favorecido al otro.

Esta naturaleza binaria de encendido/apagado de dichos valles de excitones ofrece potencialmente una forma novedosa de almacenar un bit y realizar operaciones lógicas. El campo emergente de "valleytronics", que investiga este fenómeno, se ha disparado en los últimos años debido a la gama de aplicaciones potenciales, incluidas operaciones lógicas increíblemente rápidas y, quizás algún día, computación cuántica a temperatura ambiente de tamaño pequeño.

Por lo general, los excitones existen dentro de una capa de material 2D:un excitón intracapa. Pero también existe un tipo exótico de excitón entre capas, uno que existe entre dos monocapas, con el electrón y el hueco ubicados en capas diferentes. Estos excitones entre capas tienen varias propiedades novedosas y tentadoras, que incluyen una vida útil significativamente más larga que sus contrapartes dentro de la capa, lo que amplía las aplicaciones en dispositivos de excitones de larga duración.

Las bicapas de TMD se han vuelto especialmente atractivas en los últimos años para los investigadores de optoelectrónica porque son particularmente buenas para albergar estos excitones entre capas.

Pero los investigadores de la Universidad Central del Sur pensaron que podían ir un paso mejor.

"La mayoría de los estudios de excitones de TMD están obsesionados con las heteroestructuras compuestas por dos TMD monocapa diferentes", dijo Yanping Liu, físico e ingeniero especializado en valleytronics y autor correspondiente del artículo. "Pero nuestro interés estaba en diseñar una heteroestructura de tres capas con alineación de bandas de tipo II".

En comparación con las heteroestructuras TMD bicapa con alineación de banda tipo II, la alineación de banda tricapa tipo II ofrece en principio una gama de mejoras en la eficiencia, y los excitones entre capas deberían disfrutar de una vida útil aún más prolongada, lo que aumenta el potencial de aplicación de los TMD en dispositivos como fotodetectores. , diodos emisores de luz, láseres y energía fotovoltaica. Pero hasta ahora, los excitones de la capa intermedia solo se habían observado en heteroestructuras TMD bicapa.

El equipo pudo fabricar una heteroestructura TMD tricapa (compuesta de molibdeno y azufre, molibdeno y selenio, y tungsteno y selenio), que luego observaron mediante espectroscopia de fotoluminiscencia. Confirmaron la presencia de excitones entre capas y describieron varias propiedades y requisitos del fenómeno.

Habiendo fabricado la nueva heteroestructura TMD, confirmado la existencia de excitones de capa intermedia de larga duración y propiedades y requisitos ampliamente catalogados, el equipo ahora tiene que investigar con mayor precisión el rango de aplicaciones potenciales para su TMD en dispositivos optoelectrónicos. + Explora más

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