Pesquisadores de óptica da Universidade do Texas em Dallas mostraram pela primeira vez que um novo método de fabricação de semicondutores ultrafinos produz material no qual os excitons sobrevivem até 100 vezes mais do que em materiais criados com métodos anteriores.
As descobertas mostram que os excitons, quasipartículas que transportam energia, duram o suficiente para uma ampla gama de aplicações potenciais, inclusive como bits em dispositivos de computação quântica.

Dr. Anton Malko, professor de física na Escola de Ciências Naturais e Matemática, é autor correspondente de um artigo publicado online em 30 de março em Materiais Avançados que descreve testes em semicondutores ultrafinos feitos com um método recentemente desenvolvido chamado técnica de síntese assistida por laser (LAST). As descobertas mostram uma nova física quântica em ação.

Os semicondutores são uma classe de sólidos cristalinos cuja condutividade elétrica está entre a de um condutor e de um isolante. Essa condutividade pode ser controlada externamente, seja por dopagem ou gate elétrico, tornando-os elementos-chave para os diodos e transistores que sustentam toda a tecnologia eletrônica moderna.

Os dicalcogenetos de metais de transição bidimensionais (TMDs) são um novo tipo de semicondutor ultrafino que consiste em um metal de transição e um elemento calcogênio dispostos em uma camada atômica. Embora os TMDs tenham sido explorados por mais ou menos uma década, a forma 2D que Malko examinou tem vantagens em escalabilidade e propriedades optoeletrônicas.

"LAST é um método muito puro. Você pega molibdênio puro ou tungstênio, e selênio puro ou enxofre, e os evapora sob luz laser intensa", disse Malko. "Esses átomos são distribuídos em um substrato e tornam a camada bidimensional TMD com menos de 1 nanômetro de espessura."

As propriedades ópticas de um material são parcialmente determinadas pelo comportamento dos excitons, que são quasipartículas que podem transportar energia enquanto permanecem eletricamente neutras.

"Quando um semicondutor absorve um fóton, ele cria no semicondutor um elétron carregado negativamente emparelhado com um buraco positivo, para manter a carga neutra. Esse par é o éxciton. As duas partes não estão completamente livres uma da outra - elas ainda têm um Coulomb interação entre eles", disse Malko.

Malko e sua equipe ficaram surpresos ao descobrir que os excitons em TMDs produzidos pela LAST duravam até 100 vezes mais do que aqueles em outros materiais de TMD.

"Descobrimos rapidamente que, opticamente falando, essas amostras 2D se comportam de forma totalmente diferente de qualquer outra que vimos em 10 anos trabalhando com TMDs", disse ele. "Quando começamos a olhar mais a fundo, percebemos que não é um acaso; é repetível e depende das condições de crescimento."

Essas vidas mais longas, acredita Malko, são causadas por excitons indiretos, que são opticamente inativos.

"Esses excitons são usados ​​como uma espécie de reservatório para alimentar lentamente os excitons opticamente ativos", disse ele.

O autor principal do estudo, Dr. Navendu Mondal, um ex-pesquisador de pós-doutorado da UT Dallas que agora é um bolsista individual Marie Skłodowska-Curie no Imperial College London, disse acreditar que os excitons indiretos existem devido à quantidade anormal de tensão entre o material de TMD monocamada e o substrato sobre o qual cresce.

"O controle de tensão em monocamada atomicamente fina de TMDs é uma ferramenta importante para adaptar suas propriedades optoeletrônicas", disse Mondal. "Sua estrutura de banda eletrônica é altamente sensível a deformações estruturais. Sob tensão suficiente, as modificações de band-gap causam a formação de vários excitons 'escuros' indiretos que são opticamente inativos. aqueles excitons criados diretamente por fótons."

Malko disse que a tensão embutida em TMDs 2D é comparável ao que seria induzido pressionando o material com pilares micro ou nanométricos colocados externamente, embora não seja uma opção tecnológica viável para camadas tão finas.

"Essa cepa é crucial para criar esses excitons indiretos e opticamente inativos", disse ele. "Se você remover o substrato, a tensão é liberada e essa maravilhosa resposta óptica desaparece."

Malko disse que os excitons indiretos podem ser controlados eletronicamente e convertidos em fótons, abrindo caminho para o desenvolvimento de novos dispositivos optoeletrônicos.

"Este aumento da vida útil tem aplicações potenciais muito interessantes", disse ele. "Quando um éxciton tem uma vida útil de apenas 100 picossegundos ou menos, não há tempo para usá-lo. Mas neste material, podemos criar um reservatório de éxcitons inativos que vivem muito mais - alguns nanossegundos em vez de centenas de picossegundos. Você pode fazer muito com isso."

Malko disse que os resultados da pesquisa são uma importante prova de conceito para futuros dispositivos em escala quântica.

"É a primeira vez que sabemos que alguém fez essa observação fundamental de tais excitações de vida longa em materiais TMD - longa o suficiente para ser usada como um bit quântico - como um elétron em um transistor ou mesmo apenas para coleta de luz em um célula solar", disse ele. "Nada na literatura pode explicar essas vidas superlongas dos excitons, mas agora entendemos por que eles têm essas características".

Os pesquisadores em seguida tentarão manipular excitons com um campo elétrico, que é um passo fundamental para a criação de elementos lógicos de nível quântico.

“Os semicondutores clássicos já foram miniaturizados até a porta antes que os efeitos quânticos mudem completamente o jogo”, disse Malko. "Se você pode aplicar a tensão de porta e mostrar que os materiais 2D TMD funcionarão para futuros dispositivos eletrônicos, é um grande passo. A monocamada atômica no material 2D TMD é 10 vezes menor que o limite de tamanho com silício. Mas você pode criar elementos lógicos em desse tamanho? É isso que precisamos descobrir." + Explorar mais

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