Los semiconductores atómicamente delgados como el disulfuro de molibdeno y el disulfuro de tungsteno son materiales prometedores para dispositivos fotónicos a nanoescala. Estos semiconductores aproximadamente 2D soportan los llamados excitones, que son pares de huecos de electrones unidos, que pueden alinearse verticalmente a lo largo del plano delgado de los materiales.

Los excitones son pares de huecos de electrones unidos que pueden interactuar con cargas eléctricas, espines y fonones. Este rango de interacciones indica que los excitones podrían anunciar una nueva ola de dispositivos basados ​​en fotónica y optoelectrónica a nanoescala.

Para su Ph.D. tesis, Rasmus Godiksen investigó el comportamiento de los excitones en semiconductores atómicamente delgados, centrándose en la luz emitida, explorando el potencial de los excitones en semiconductores ultrafinos como el disulfuro de molibdeno (MoS₂ ) y disulfuro de tungsteno (WS₂ ). Los semiconductores son tan delgados que pueden aproximarse a materiales 2D. Entonces, en efecto, Godiksen estudió excitones en materiales 2D.

Sensibilidad

Primero, Godiksen y sus colaboradores demostraron que los excitones 2D son muy sensibles a su entorno nanoscópico. Usando técnicas de imagen de fotoluminiscencia (PL), midieron las fluctuaciones de fluorescencia debidas a la transferencia de carga al semiconductor. Tales fluctuaciones están espacialmente correlacionadas en decenas de micrómetros en WS₂ monocapas sobre películas metálicas.

Debido a las fluctuaciones de carga de los estados de trampa (que son estados que atrapan portadores excitados como electrones, huecos y excitones), siguen las estadísticas de la ley de potencia con cambios simultáneos en la intensidad de emisión, la vida útil y las relaciones excitón-trión. Las estadísticas de ley de potencias son un indicador de la captura y eliminación de excitones, por lo que proporciona evidencia de estados atrapados.

Grado de libertad del valle

Excitones en WS₂ también tienen un grado de libertad con respecto a los valles, que acopla la polarización de espín a la dirección del impulso. Los valles en la estructura de la banda se pueden explorar utilizando luz polarizada circularmente. La excitación o detección de un excitón en un valle se puede utilizar en tecnologías de la información, por ejemplo.

Para explicar el contraste en la polarización del valle de espín en unas pocas capas de WS₂ y diseleniuro de tungsteno (WSe₂ ), Godiksen utilizó mediciones de PL con polarización circular dependientes de la capa y la temperatura. Esto relacionó sus polarizaciones contrastantes con un impulso diferente de sus mínimos de banda de conducción.

La dinámica general del valle de espín está gobernada por los tiempos de vida de los excitones y los valles. La emisión polarizada de valle está determinada por tiempos de vida competitivos:el tiempo de vida del excitón y el tiempo de vida del valle. Al disminuir la vida útil del excitón, es posible aumentar la emisión polarizada de valle. Esto se debe a que los excitones se recombinan y emiten luz más rápido de lo que se dispersan a los otros valles disponibles.

Cambiando la distancia de un WS₂ bicapa a un espejo, la mejora de la excitación aumenta la aniquilación excitón-excitón, lo que resulta en una mayor polarización.

Nanoresonadores de silicio

Finalmente, Godiksen estudió el uso de nanoantenas de silicio para mejorar aún más la interacción de la luz polarizada circularmente con los excitones polarizados de valle. Demostró que los nanodiscos de silicio cristalino conservan la polarización circular de la luz en el campo cercano según sea necesario para una mejora adicional de la emisión polarizada de valle.

Los resultados de Godiksen avanzan en la comprensión de las interacciones de los excitones con cargas, espines y fotones con implicaciones para una variedad de dispositivos nanofotónicos que utilizan semiconductores atómicamente delgados.

Las fuentes de un solo fotón son interesantes para la computación cuántica, los sensores moleculares podrían aumentar la sensibilidad hasta el nivel de una sola molécula y los dispositivos de valletronic podrían allanar el camino para una nueva generación de dispositivos electrónicos basados ​​en la polarización de valle. + Explora más

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