Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL), Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais, demonstraram que a intensidade e a composição espectral da fotoluminescência emitida por uma única monocamada de dissulfeto de tungstênio (WS2) pode ser controlada espacialmente pelos domínios de polarização em um filme adjacente do titanato de zircônio de chumbo (PZT) material ferroelétrico.

Esses domínios são escritos no PZT usando um microscópio de força atômica condutiva, e a fotoluminescência (PL) é medida em ar à temperatura ambiente. Como a largura da parede do domínio de polarização em um ferroelétrico pode ser tão baixa quanto 1-10 nm, esta abordagem permite a modulação espacial da intensidade de PL e as populações de portadores correspondentes com potencial para resolução em nanoescala.

Dichalcogenetos de metal de transição de monocamada única (TMDs), como WS2, exibem propriedades ópticas impressionantes devido ao seu gap direto. A blindagem dielétrica é muito baixa devido ao seu caráter bidimensional (2D), e, portanto, suas propriedades são fortemente afetadas por seu ambiente imediato, e pode ser modificado e controlado por variações na densidade de carga local devido a adsorbatos ou portas eletrostáticas. Isso gerou grande interesse em uma ampla variedade de aplicações de dispositivos eletrônicos e ópticos.

O cientista do NRL usou um microscópio de força atômica condutora para escrever domínios de polarização em um filme PZT em um padrão quadriculado. Em cada domínio, o dipolo de polarização aponta para cima fora do plano da superfície ou para baixo no plano da superfície, e produz carga positiva ou negativa na superfície PZT, respectivamente. A equipe então transferiu a monocamada WS2 que eles haviam crescido por técnicas de deposição de vapor químico para o filme PZT.

Eles descobriram que a intensidade PL do WS2 é alta apenas nas áreas sobre os domínios no PZT, onde o dipolo de polarização aponta para fora do plano da superfície, como mostrado na figura ao lado. Uma análise posterior revelou que a composição espectral do PL também foi fortemente afetada - os espectros dos domínios "para cima" foram dominados por contribuições de excitons neutros (um estado ligado de um elétron e buraco surgindo da interação de Coulomb), enquanto aqueles dos domínios "para baixo" eram dominados por exciton com carga negativa, ou trion, contribuições (um exciton com um elétron extra).

"A fabricação dessas heteroestruturas ferroelétricas 2D / 3-D híbridas permite projetar e modular propositadamente populações adjacentes de trions e excitons neutros, criando domínios laterais em qualquer geometria de escolha ", observa o Dr. Berend Jonker, cientista sênior e investigador principal. Dra. Connie Li, autor principal do estudo, mais adiante aponta:"Como os domínios FE podem ser reescritos com um microscópio de força atômica e não são voláteis, isso permite a modulação espacial das propriedades TMD com resolução em escala nanométrica. "

A recompensa inclui o desenvolvimento de materiais TMD e heteroestruturas híbridas 2D / 3-D com novas funcionalidades relevantes para a missão DoD, incluindo eletrônicos de ultra-baixa potência, memória óptica não volátil e computação quântica para futuras aplicações DoD em processamento e detecção de informações.