p Heteroestruturas formadas por diferentes semicondutores tridimensionais formam a base para dispositivos eletrônicos e fotônicos modernos. Agora, Cientistas da Universidade de Washington combinaram com sucesso dois semicondutores ultrafinos diferentes - cada um com apenas uma camada de átomos de espessura e cerca de 100, 000 vezes mais fino que um cabelo humano - para fazer uma nova heteroestrutura bidimensional com usos potenciais em energia limpa e eletrônica opticamente ativa. O time, liderado pelo Distinto Professor Associado da Boeing Xiaodong Xu, anunciou suas descobertas em um artigo publicado em 12 de fevereiro na revista Ciência . p O autor sênior Xu e os autores principais Kyle Seyler e Pasqual Rivera, ambos os alunos de doutorado no departamento de física UW, sintetizou e investigou as propriedades ópticas desse novo tipo de sanduíche semicondutor.

p "O que estamos vendo aqui é diferente de heteroestruturas feitas de semicondutores 3-D, "disse Xu, que tem nomeações conjuntas no Departamento de Física e no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. "Nós criamos um sistema para estudar as propriedades especiais dessas camadas atomicamente finas e seu potencial para responder a questões básicas sobre física e desenvolver novas tecnologias eletrônicas e fotônicas."

p Quando os semicondutores absorvem luz, pares de cargas positivas e negativas podem se formar e se ligar para criar os chamados excitons. Os cientistas há muito estudam como esses excitons se comportam, mas quando eles são espremidos até o limite 2-D nesses materiais atomicamente finos, podem ocorrer interações surpreendentes.

p Enquanto os semicondutores tradicionais manipulam o fluxo de carga de elétrons, este dispositivo permite que excitons sejam preservados em "vales, "um conceito da mecânica quântica semelhante ao spin dos elétrons. Esta é uma etapa crítica no desenvolvimento de novas tecnologias em nanoescala que integram a luz com a eletrônica.

p "Já se sabia que esses semicondutores 2-D ultrafinos têm propriedades únicas que você não pode encontrar em outros arranjos 2-D ou 3-D, "disse Xu." Mas, como mostramos aqui, quando colocamos essas duas camadas juntas - uma em cima da outra - a interface entre essas folhas se torna o local de ainda mais novas propriedades físicas, que você não vê em cada camada isoladamente ou na versão 3-D. "

p Xu e sua equipe queriam criar e explorar as propriedades de uma heteroestrutura semicondutora 2-D composta de duas camadas diferentes de material, uma expansão natural de seus estudos anteriores sobre junções atomicamente finas, bem como lasers em nanoescala baseados em camadas atomicamente finas de semicondutores. Ao estudar como a luz laser interage com esta heteroestrutura, eles coletaram informações sobre as propriedades físicas na interface atomicamente nítida.

p "Muitos grupos estudaram as propriedades ópticas de folhas 2-D simples, "disse Seyler." O que fazemos aqui é empilhar cuidadosamente um material em cima do outro, e, em seguida, estudar as novas propriedades que surgem na interface. "

p A equipe obteve dois tipos de cristais semicondutores, disseleneto de tungstênio (WSe2) e disseleneto de molibdênio (MoSe2), de colaboradores do Oak Ridge National Laboratory. Eles usaram instalações desenvolvidas internamente para organizar com precisão duas camadas, um derivado de cada cristal, um processo que levou alguns anos para se desenvolver totalmente.

p "Mas agora que sabemos como fazê-lo corretamente, podemos fazer novos em uma ou duas semanas, "disse Xu.

p Fazer com que esses dispositivos emitissem luz foi um desafio único, devido às propriedades dos elétrons em cada camada.

p "Assim que tiver essas duas folhas de material, uma questão essencial é como posicionar as duas camadas juntas, "disse Seyler. Os elétrons em cada camada têm propriedades únicas de spin e vale, e "como você os posiciona - seu ângulo de torção - afeta como eles interagem com a luz."

p Ao alinhar as estruturas cristalinas, os autores puderam excitar a heteroestrutura com um laser e criar excitons opticamente ativos entre as duas camadas.

p "Esses excitons na interface podem armazenar informações de vale por ordens de magnitude mais longas do que qualquer uma das camadas sozinhas, "disse Rivera." Esta longa vida útil permite efeitos fascinantes que podem levar a novas aplicações ópticas e eletrônicas com funcionalidade de vale. "

p Agora que eles podem fazer com eficiência uma heteroestrutura semicondutora de materiais 2-D, Xu e sua equipe gostariam de explorar uma série de propriedades físicas fascinantes, incluindo como o comportamento do exciton varia conforme eles mudam os ângulos entre as camadas, as propriedades quânticas excitons entre as camadas e a emissão de luz eletricamente acionada.

p "Há toda uma indústria que deseja usar esses semicondutores 2-D para fazer novos dispositivos eletrônicos e fotônicos, "disse Xu." Então, estamos tentando estudar as propriedades fundamentais dessas novas heteroestruturas para coisas como tecnologia de laser eficiente, díodos emissores de luz e dispositivos de colheita de luz. Esperamos que sejam úteis para aplicações de energia limpa e tecnologia da informação. É muito emocionante, mas há muito trabalho a fazer. "