Uma classe emergente de heteroestruturas semicondutoras envolve o empilhamento de monocamadas discretas, como dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), por exemplo. disseleneto de molibdênio (MoSe2) e disseleneto de tungstênio (WSe2), para formar heteroestruturas de van der Waals. Ambas as características de emissão se originam de transições excitônicas que são indiretas no espaço de momento e são divididas por acoplamento spin-órbita. Crédito:Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA
Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL) fabricaram uma estrutura de bicamada composta de dois materiais de monocamada diferentes, e observou um estado eletrônico único formado pela interação entre essas duas camadas.
Dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), tais como os compostos inorgânicos disseleneto de molibdênio (MoSe 2 ) e disseleneto de tungstênio (WSe 2 ), são uma classe de materiais bidimensionais (2-D) em camadas semelhantes ao grafeno. Novas heteroestruturas podem ser fabricadas empilhando monocamadas únicas desses materiais e as propriedades podem ser adaptadas pela escolha e sequência dessas monocamadas.
"Com base nas descobertas experimentais, desenvolvemos um novo modelo de interação entre esses materiais que tem implicações abrangentes em como eles se comportam e como podem ser usados, "disse o Dr. Aubrey Hanbicki, físicos pesquisadores e autor principal do estudo. "Mostramos como a interação entre as camadas pode alterar seu comportamento para criar um novo sistema composto."
Esta nova classe de materiais composta por chapas atomicamente finas tem o potencial de impactar uma ampla gama de tecnologias importantes para a Marinha e o Departamento de Defesa (DoD), afirma o Dr. Berend T. Jonker, investigador principal do esforço. Estes variam de sensores químicos para detectar agentes de guerra química, explosivos e produtos químicos industriais tóxicos, a novos dispositivos optoeletrônicos para uso em emissores de fóton único, nano-lasers, fotovoltaica, e fotodetectores.
"Em camadas simples, muitos TMDs são semicondutores opticamente ativos com algumas propriedades novas e exóticas, "Hanbicki explicou." Quando iluminado com luz acima de um comprimento de onda específico, dependente do gap do material, os elétrons são excitados da banda de valência para a banda de condução, deixando um "buraco" carregado positivamente para trás. O elétron carregado negativamente e seu buraco são então atraídos um pelo outro e podem formar um par elétron-buraco chamado de exciton. Depois de um breve tempo, eles se recombinam e emitem luz em um comprimento de onda característico do material. "
Tipicamente, a vida útil de tais excitons é muito curta. Contudo, tanto o tempo de vida quanto o comprimento de onda de emissão podem ser ajustados ao selecionar criteriosamente duas monocamadas de TMD diferentes para formar uma bicamada. Com a escolha certa de materiais, o elétron e o buraco podem residir em camadas diferentes. Estas partículas separadas espacialmente podem formar um chamado exciton intercalar (ILE), o que leva muito mais tempo para se recombinar.
A interação e recombinação subsequente é altamente dependente da separação física do elétron e do buraco, e um cuidado considerável deve ser tomado para projetar o contato de interface entre as camadas TMD.
A pesquisa na NRL usou vários processos de fabricação avançados para empilhar e alinhar MoSe de camada única 2 flocos no WSe de camada única 2 . O MoSe 2 -WSe 2 pilha foi ainda encapsulada por camadas ultra-suaves de nitreto de boro hexagonal (hBN) e, em seguida, "limpo" usando uma nova técnica de achatamento recentemente desenvolvida por cientistas do NRL.
Como resultado, o ultraclean hBN / MoSe 2 -WSe 2 A pilha / hBN exibe esse exciton de camada intermediária exclusivo, mesmo em temperatura ambiente. Em baixas temperaturas, o recurso de emissão ILE se divide em dois picos, fornecendo a primeira resolução clara dessa divisão, e permitindo uma visão sobre a origem do próprio ILE. Em particular, porque os picos ILE têm intensidade quase igual, mas polarização oposta, cálculos teóricos podem apontar a origem do ILE.
"Este trabalho representa um avanço significativo em nosso entendimento geral da interação de TMDs em heteroestruturas e informará o projeto e implementação de futuros dispositivos de heteroestruturas de TMD, "disse Hanbicki.
Os resultados da pesquisa são publicados no jornal ACS Nano
