Os semicondutores são onipresentes na tecnologia moderna, trabalhando para permitir ou impedir o fluxo de eletricidade. A fim de compreender o potencial dos semicondutores bidimensionais para futuras tecnologias informáticas e fotovoltaicas, investigadores das Universidades de Göttingen, Marburg e Cambridge investigaram a ligação que se forma entre os electrões e os buracos contidos nestes materiais.



Usando um método especial para quebrar a ligação entre elétrons e buracos, eles foram capazes de obter informações microscópicas sobre os processos de transferência de carga através de uma interface semicondutora. Os resultados foram publicados em Avanços da Ciência .

Quando a luz incide sobre um semicondutor, sua energia é absorvida. Como resultado, elétrons com carga negativa e buracos com carga positiva se combinam no semicondutor para formar pares, conhecidos como excitons. Nos semicondutores bidimensionais mais modernos, esses excitons possuem uma energia de ligação extraordinariamente alta.

Em seu estudo, os pesquisadores se propuseram o desafio de investigar o buraco do exciton.

Como explica o físico e primeiro autor Jan Philipp Bange, da Universidade de Göttingen:"Em nosso laboratório, usamos espectroscopia de fotoemissão para investigar como a absorção de luz em materiais quânticos leva a processos de transferência de carga. Até agora, nos concentramos nos elétrons que fazem parte do par elétron-buraco, que podemos medir usando um analisador de elétrons. Até agora, não tínhamos como acessar diretamente os buracos em si. Então, estávamos interessados ​​na questão de como poderíamos caracterizá-los. apenas o elétron do exciton, mas também seu buraco."

Para responder a esta pergunta, os pesquisadores, liderados pelo Dr. Marcel Reutzel e pelo professor Stefan Mathias da Faculdade de Física da Universidade de Göttingen, usaram um microscópio especial para fotoelétrons em combinação com um laser de alta intensidade. No processo, a quebra de um exciton leva a uma perda de energia no elétron medido no experimento.

Reutzel explica:“Essa perda de energia é característica de diferentes excitons, dependendo do ambiente em que o elétron e o buraco interagem entre si”. No presente estudo, os pesquisadores usaram uma estrutura composta por dois semicondutores atomicamente finos diferentes para mostrar que o buraco do exciton é transferido de uma camada semicondutora para outra, semelhante a uma célula solar. A equipe do professor Ermin Malic, da Universidade de Marburg, conseguiu explicar esse processo de transferência de carga com um modelo para descrever o que acontece em nível microscópico.

Mathias diz:"No futuro, queremos usar a assinatura espectroscópica da interação entre elétrons e buracos para estudar novas fases em materiais quânticos em escalas de tempo e comprimento ultracurtas. Tais estudos podem ser a base para o desenvolvimento de novas tecnologias e nós espero contribuir para isso no futuro."

Mais informações: Jan Philipp Bange et al, Sondando correlações de Coulomb de elétron-buraco na paisagem de excitons de uma heteroestrutura semicondutora torcida, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi1323
Informações do diário: Avanços da Ciência

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