Los semiconductores de dicalcogenuro de metales de transición (TMD) son materiales especiales que han fascinado durante mucho tiempo a los investigadores con sus propiedades únicas. Por un lado, son materiales bidimensionales (2D) planos, de un átomo de espesor, similares al grafeno. Son compuestos que contienen diferentes combinaciones del grupo de los metales de transición (p. ej., molibdeno, tungsteno) y elementos calcógenos (p. ej., azufre, selenio, telurio).

Lo que es aún más fascinante es que el ensamblaje de diferentes capas de TMD en pilas verticales crea un nuevo material artificial llamado heteroestructura de van der Waals (vdW). Al incorporar diferentes materiales, es posible combinar las propiedades de capas individuales, produciendo nuevos dispositivos optoelectrónicos con propiedades hechas a medida. Esto abre la puerta a explorar la física fundamental, como los excitones entre capas, la twistrónica y más.

Sin embargo, hasta ahora ningún científico ha estudiado si el cambio del orden de apilamiento afecta a las propiedades espectroscópicas de estas heteroestructuras. Durante mucho tiempo, la falta de comprensión de las heteroestructuras de TMD llevó a la hipótesis cuestionable de que alterar el orden de apilamiento de las capas no afecta sus propiedades. El estudio se publica en la revista Nature Communications. .

Esto fue recientemente desacreditado por un equipo de investigadores del Centro de Física Integrada de Nanoestructuras (CINAP) del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Corea del Sur. Dirigido por el profesor LEE Young Hee, el grupo descubrió que el orden secuencial de las capas en las heteroestructuras afecta a la generación de "excitones oscuros" dentro del material. Este hallazgo sugirió la importancia adicional de considerar el apilamiento del orden secuencial de estos materiales para su uso posterior en aplicaciones de dispositivos reales.

Los excitones representan un electrón y un hueco cargado positivamente (un lugar donde está ausente un electrón) unidos por atracción electrostática en un material sólido, típicamente un cristal semiconductor. Los semiconductores monocapa TMD tienen una banda prohibida directa y exhiben "excitones brillantes" ópticamente accesibles. Al mismo tiempo, también existen "excitones oscuros", cuyo estudio resulta complicado debido a su invisibilidad. Sin embargo, los mecanismos subyacentes que dan lugar a estas anomalías no se comprenden completamente.

Los investigadores del IBS observaron un fenómeno notable:la aparición o desaparición de picos de fotoluminiscencia (PL) adicionales basados ​​en diferentes secuencias de apilamiento. Se ha confirmado que este efecto no informado anteriormente es reproducible en múltiples heteroestructuras.

Los investigadores atribuyeron el origen de estos picos adicionales a la aparición de un excitón oscuro ubicado exclusivamente en la capa superior de la heteroestructura, lo que se confirma mediante microscopía de efecto túnel (STM). Los investigadores esperan que esta propiedad pueda utilizarse para interruptores ópticos de energía en paneles solares.

El Dr. Riya Sebait, primer autor del estudio, dijo:"Nuestros resultados experimentales demuestran claramente el apilamiento de propiedades anómalas dependientes de la secuencia, que potencialmente podrían ser pioneras en un nuevo campo de estudio llamado 'fliptrónica'. A medida que volteamos o invertimos la heteroestructura, las bandas experimentan una renormalización única."

Es necesaria una interfaz limpia y libre de residuos para investigar las propiedades dependientes secuenciales del apilamiento. Este estudio representa un avance significativo ya que fue la primera vez. Se demostró que alterar el orden secuencial de apilamiento en la heteroestructura puede provocar cambios en sus propiedades físicas.

Los investigadores intentaron explicar este fenómeno inducido por la inversión observando el modelo microscópico de muchas partículas, lo que sugiere que la tensión dependiente de la capa podría ser una posible solución a este rompecabezas.

Suponiendo que la capa superior se tensa más en comparación con la capa inferior, los datos calculados utilizando el modelo teórico muestran una buena concordancia con los resultados experimentales. Esto sugiere que este apilamiento dependiente de la secuencia requiere más estudios, no solo para comprender la física subyacente sino también para sus aplicaciones en dispositivos reales.

Además, este estudio también facilita la utilización de excitones oscuros con impulso prohibido, ya que debido a la renormalización de banda única en la heteroestructura, es posible convertirlos en excitones brillantes.

El profesor Young Hee Lee, autor principal de correspondencia, dijo:"Este fenómeno excepcional de la aparición de excitones oscuros en la heteroestructura de la bicapa inspirará a otros investigadores a profundizar en la comprensión y el aprovechamiento de estas extraordinarias propiedades para aplicaciones".

Este trabajo se realizó en colaboraciones interdisciplinarias con el Prof. Ermin Malic de la Philipps-Universität Marburg, Alemania, y el investigador Seok Jun Yun del Oak Ridge Laboratory, EE. UU.

Más información: Riya Sebait et al, Modulación de excitones oscuros dependiente del orden secuencial en heteroestructura TMD de dos capas, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41047-6

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza

Proporcionado por el Instituto de Ciencias Básicas