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  • Renormalização de bandgap ajustável por gate gigante e efeitos excitônicos em um semicondutor 2-D
    p Identifique a espessura da monocamada ReSe2. (A) A imagem óptica da monocamada ReSe2 (dentro do retângulo tracejado) transferida em G / h-BN. A imagem inserida é a imagem óptica de campo escuro para o floco ReSe2. (B) A imagem AFM da monocamada ReSe2. Detalhe:a altura do degrau do floco ReSe2 esfoliado é medida em ~ 0,8 ± 0,1 nm, sugerindo uma espessura de monocamada. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw2347

    p Investigar os notáveis ​​efeitos excitônicos em semicondutores bidimensionais (2-D) e controlar suas energias de ligação de excitons pode desbloquear todo o potencial dos materiais 2-D para futuras aplicações em dispositivos fotônicos e optoeletrônicos. Em um estudo recente, Zhizhan Qiu e colegas dos departamentos interdisciplinares de química, Engenharia, materiais 2-D avançados, física e ciência dos materiais em Cingapura, O Japão e os EUA demonstraram grandes efeitos excitônicos e energias de ligação de excitons ajustáveis ​​por porta em disseleneto de rênio de camada única (ReSe 2 ) em um dispositivo de grafeno back-gated. Eles usaram espectroscopia de tunelamento de varredura (STS) e espectroscopia de refletância diferencial para medir o gap eletrônico e óptico de quasipartícula (QP) (Eopt) de ReSe de camada única. 2 para produzir uma grande energia de ligação de excitons de 520 meV. p Os cientistas alcançaram o ajuste contínuo do bandgap eletrônico e da energia de ligação de excitons da monocamada ReSe 2 por centenas de volts mili-elétron via porta eletrostática. Qiu et al. creditaram o fenômeno às interações de Coulomb sintonizáveis ​​que surgem das portadoras livres controladas pelo portão no grafeno. As novas descobertas agora são publicadas em Avanços da Ciência e abrirá um novo caminho para controlar a renormalização do bandgap e as energias de ligação de excitons em semicondutores 2-D para uma variedade de aplicações técnicas.

    p Semicondutores bidimensionais (2-D) atomicamente finos geralmente exibem grande renormalização de bandgap (mudanças nas qualidades físicas) e efeitos excitônicos extraordinários devido ao confinamento quântico e blindagem dielétrica reduzida. As interações luz-matéria nesses sistemas são governadas por efeitos excitônicos intensificados, que os físicos estudaram para desenvolver dispositivos baseados em excitons em temperatura ambiente. Uma característica única dos semicondutores 2-D é sua capacidade de ajuste sem precedentes em relação às propriedades elétricas e ópticas devido ao doping e à triagem ambiental.

    p Imagens STM do padrão moiré em monocamada ReSe2 / grafeno. (A a C) Padrões moiré representativos observados no experimento. (D a F) Padrões moiré calculados obtidos na análise geométrica. θ é o ângulo de empilhamento entre ReSe2 e grafeno. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aaw2347

    p Os pesquisadores podem projetar interações de Coulomb teoricamente preditas e experimentalmente demonstradas em semicondutores 2-D para sintonizar o gap de quase-partícula (Eg) e as energias de ligação de exciton (Eb) das amostras, com métodos como dopagem química, portas eletrostáticas e triagem ambiental de engenharia. Entre as técnicas relatadas, o gating eletrostático oferece vantagens adicionais, como sintonização contínua e excelente compatibilidade para integração em dispositivos modernos. Contudo, uma sobreposição da etapa de absorção da borda da banda com fortes ressonâncias excitônicas torna difícil determinar com precisão o Eg de semicondutores 2-D a partir de seu espectro de absorção óptica sozinho.

    p Os cientistas, portanto, usaram a espectroscopia de tunelamento de varredura e a espectroscopia óptica para sondar diretamente o Eb de semicondutores 2-D e medir Eg e o bandgap óptico (Eopt). No presente trabalho, Qiu et al. similarmente usou esta abordagem para demonstrar Eg ajustáveis ​​por gate e efeitos excitônicos em monocamada ReSe 2 em um dispositivo de transistor de efeito de campo de grafeno (FET). Eles observaram um grande Eb de 520 meV para ReSe de monocamada 2 na tensão de porta zero, seguido pela sintonia contínua de 460 a 680 meV por meio de portas eletrostáticas devido a portadoras livres controladas por porta em grafeno. A capacidade de ajustar com precisão o bandgap e os efeitos excitônicos dos semicondutores de grafeno 2-D fornecerá uma nova rota para otimizar o transporte de carga interfacial ou a eficiência da coleta de luz. Qui et al. Esperamos que as presentes descobertas tenham um impacto profundo em novos dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos baseados em heteroestruturas de van der Waals projetadas artificialmente.

    p Qui et al. a primeira imagem da monocamada ReSe 2 para mostrar um distorcido 1 T estrutura com simetria triclínica. Os quatro átomos de Re escaparam de seus locais octaédricos regulares devido ao desacoplamento de carga para formar uma estrutura semelhante a uma cadeia 1D com unidades em forma de diamante interconectadas. Devido às características topológicas, a monocamada ReSe 2 exibiu propriedades eletrônicas e ópticas anisotrópicas únicas no plano, úteis para aplicações optoeletrônicas sensíveis à polarização do infravermelho próximo.

    p DI / dV dependente de porta e espectros de refletância diferencial de uma monocamada ReSe2 em grafeno. (A) espectro dI / dV da monocamada ReSe2 (linha azul) em Vg =0 V junto com o LDOS calculado (linha vermelha tracejada). (B) Posição da energia de VB máximo (VBM; pontos vermelhos) e CB mínimo (CBM; pontos azuis escuros) como uma função da tensão da porta. (C) Espectros de dI / dV dependentes de porta da monocamada ReSe2 em grafeno / h-BN medido a 4,5 K. A tensão de porta aplicada como é indicada acima de cada curva STS. O VBM e CBM foram indicados por pontos vermelhos e azuis claros, respectivamente. (D) Espectros de refletância diferencial dependentes de porta da monocamada ReSe2 em grafeno / h-BN medido a 5 K. A tensão de porta correspondente é indicada ao lado de cada espectro de refletância diferencial. Nota:O espectro de refletância diferencial original após a subtração do fundo (círculos); curvas ajustadas usando a função Lorentziana (linhas sólidas). a.u., unidades arbitrárias. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aaw2347.

    p Para investigar os efeitos excitônicos dependentes de portador, os cientistas primeiro transferiram uma monocamada ReSe 2 flake em um dispositivo FET (transistor de efeito de campo) de grafeno com back-gated limpo. O dispositivo é constituído de vários componentes de acordo com uma receita previamente estabelecida para incluir um SiO 2 substrato, que contrastou com a planura atômica constituinte do nitreto de boro hexagonal (hBN) que reduziu marcadamente a rugosidade da superfície e a falta de homogeneidade de carga no grafeno. O uso de grafeno permitiu medições de microscopia de tunelamento de varredura direta (STM) do ReSe de camada única fechada 2 enquanto melhora o contato elétrico com a monocamada ReSe 2 .

    p Após a imagem STM, a imagem resolvida atomicamente revelou uma estrutura semelhante a uma cadeia de diamante, conforme esperado para ReSe monocamada 2 com um distorcido 1 T estrutura atômica. Os cientistas observaram o alinhamento de empilhamento do material ao longo de duas orientações cristalográficas como padrões moiré, onde monocamada ReSe 2 contendo uma simetria de rede triclínica leigos em grafeno com uma rede de favo de mel.

    p Renormalização de bandgap ajustável e energia de ligação de excitons da monocamada ReSe2 em grafeno. (A) Um gráfico de bandgap QP Ex (pontos pretos), bandgap óptico Eopt (pontos vermelhos), e energia de ligação de exciton Eb (pontos azuis) como uma função da tensão do portão. Nota:O Eopt =1,47 ± 0,01 eV permanece constante quando a tensão da porta aumenta de −40 para 40 V. Nota:O mesmo Eopt é usado para o cálculo de Eb na tensão da porta de −63, -60, -50, e +45 V. A linha contínua azul refere-se ao Eb teoricamente previsto como uma função da tensão da porta (consulte a seção S8 para obter mais detalhes). (B) Ilustração da triagem de interações elétron-buraco em monocamada ReSe2 pelos portadores livres controlados por porta no grafeno. (C) Ilustração esquemática de Eg e Eb ajustáveis ​​por porta da monocamada ReSe2 na tensão de porta de -63 e +45 V, respectivamente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw2347.

    p Quando eles investigaram as propriedades eletrônicas locais do ReSe 2 usando STS (espectroscopia de tunelamento de varredura), os cientistas observaram espectros de condutância diferencial (dI / dV) em várias regiões de moiré para exibir características semelhantes. Como uma característica única do estudo, Qiu et al. sondou as estruturas de banda de quasipartículas (QP) em função da tensão da porta.

    p O bandgap óptico (Eopt) permaneceu quase constante em todas as tensões de porta em contraste com a redução monotônica de Eg, de acordo com estudos experimentais anteriores. Para verificar isso, eles realizaram medições de fotoluminescência da monocamada ReSe 2 / grafeno / h-BN amostra em diferentes tensões de porta em temperatura ambiente (RT). Os espectros de fotoluminescência dependente do portão revelaram uma Eopt quase constante da monocamada ReSe 2 .

    p Os cientistas então determinaram a energia de ligação do exciton e derivaram um grande, renormalização de bandgap ajustável para ReSe 2 no dispositivo híbrido. Eles buscaram as origens físicas da renormalização do bandgap QP ajustável pelo portão e da energia de ligação do exciton na monocamada ReSe 2 ao excluir contribuições das funções de onda de polarização induzida por campo fora do plano e substanciar sua origem a partir de portadores livres induzidos por porta em grafeno. Os resultados teóricos do estudo também mostraram que a dopagem moderada no grafeno pode reduzir substancialmente a energia de ligação do exciton (Eb) em centenas de mili-elétron-volts à medida que a concentração de portadores livres no grafeno aumenta. Além disso, Qiu et al. comparou diretamente a teoria com seus resultados experimentais.

    p Desta maneira, Zhizhan Qiu e colegas adaptaram com sucesso o bandgap QP e a energia de ligação do exciton em um semicondutor 2-D controlando a dopagem do grafeno subjacente com gating eletrostático. Os resultados mostraram que a triagem de um substrato de grafeno teve um impacto profundo nas interações de Coulomb que levam a uma ampla sintonia do gap eletrônico e da energia de ligação do exciton. As descobertas revelaram a física de muitos elétrons em semicondutores 2-D híbridos ou sistemas de grafeno. O trabalho abrirá o caminho para controlar os efeitos excitônicos e ajustar com precisão as energias de ligação do exciton em semicondutores 2-D para uma variedade de aplicações técnicas.

    p Cálculo de Eb em monocamada ReSe2 em função da densidade de portadores no substrato de grafeno. Energia de ligação de exciton (Eb) e raio de proteção de Thomas-Fermi (rs) em função da concentração de elétrons (n) no grafeno. (A) O Eb dependente da portadora para

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