p (Phys.org) —Uma equipe de pesquisadores do Berkeley Lab acredita que descobriu o segredo por trás das propriedades optoeletrônicas incomuns de camadas atômicas únicas de materiais de dichalcogeneto de metal de transição (TMDC), os semicondutores bidimensionais que são uma grande promessa para aplicações nanoeletrônicas e fotônicas. p Usando espectroscopia de excitação de dois fótons, os pesquisadores sondaram monocamadas de dissulfeto de tungstênio, um dos mais promissores materiais 2D, e encontraram evidências da existência de estados de escuridão excitônicos - estados de energia nos quais fótons individuais não podem ser absorvidos nem emitidos. Esses excitons foram previstos a partir de cálculos ab initio por membros da equipe de pesquisa para ter uma sequência de energia incomum, além da energia de ligação excitônica e bandgaps que são muito maiores do que se suspeitava anteriormente para materiais 2D TMDC.

p "A descoberta de uma grande energia de ligação excitônica e bandgaps e sua natureza não higrogênica em materiais semicondutores 2D é importante não apenas para a compreensão da interação luz-matéria sem precedentes que surge do forte efeito de muitos corpos, mas também para aplicações eletrônicas e optoeletrônicas, como LEDs ultracompactos, sensores e transistores, "diz Xiang Zhang, diretor da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e líder deste estudo. "Essa grande energia de ligação - 0,7eV - também poderia tornar estáveis ​​excitons à temperatura ambiente para futuros esforços de computação quântica."

p Zhang detém a cadeira de professor dotada de Ernest S. Kuh na Universidade da Califórnia (UC) Berkeley, dirige o Centro de Ciência e Engenharia em escala nanométrica da National Science Foundation, e é membro do Kavli Energy NanoSciences Institute em Berkeley. Ele e o físico teórico Steven Louie do Berkeley Lab, também com a Divisão de Ciências de Materiais e UC Berkeley, são os autores correspondentes de um artigo na Nature que descreve esta pesquisa. O artigo é intitulado "Sondagem de estados escuros excitônicos em dissulfeto de tungstênio de camada única". Os co-autores são Ziliang Ye, Ting Cao, Kevin O'Brien, Hanyu Zhu, Xiaobo Yin, e Yuan Wang.

p Excitons são pares ligados de elétrons excitados e lacunas que podem causar desvios significativos entre a absorção de fótons ou energias de emissão e os bandgaps eletrônicos que permitem que semicondutores funcionem em dispositivos. Os materiais 2D TMDC geraram um grande alvoroço na indústria eletrônica porque oferecem eficiência energética superior e carregam densidades de corrente muito mais altas do que o silício. Além disso, ao contrário do grafeno, o outro semicondutor 2D altamente elogiado, TMDCs têm bandgaps finitos. Isso os torna mais prontos para dispositivos do que o grafeno, que não tem bandgaps naturais. Contudo, Os pontos de interrogação pairando sobre o tamanho do bandgap e o efeito excitônico em TMDCs 2D têm dificultado seu desenvolvimento.

p "Ao revelar experimentalmente estados escuros excitônicos 2D em uma monocamada TMDC, demonstramos efeitos intensos de muitos elétrons nesta classe de semicondutores 2D, "diz Ziliang Ye, membro do grupo de pesquisa de Zhang e um dos dois principais autores do Naturepaper. "Nossa descoberta fornece uma base para explorar as interações incomuns entre a luz e a matéria que resultam de fortes efeitos excitônicos, e também deve permitir projetos melhores de heteroestruturas que envolvem monocamadas de TMDC. "

p Além de LEDs e fotodetectores, a descoberta de estados escuros excitônicos fortemente ligados também pode ter implicações importantes para "valleytronics, "uma nova rota potencial altamente promissora para novos eletrônicos e processamento de dados ultrarrápido.

p "Em Valleytronics, a informação é codificada em um número quântico de onda que descreve a qual vale da paisagem de energia-momento um portador pertence enquanto se move através de uma rede de cristal, "diz Louie." Nosso trabalho fornece uma nova compreensão e informações sobre os estados entusiasmados com a foto, e nas transportadoras resultantes, onde as informações do vale estão codificadas. "

p Diz Ting Cao, um membro do grupo de pesquisa de Louie e outro autor principal do artigo da Nature, "Os TMDCs 2D também devem ser adequados para a próxima geração de dispositivos flexíveis e eletrônicos vestíveis."