O campo emergente da valetrônica, que explora a preferência de momento de elétrons excitados, ou excitons, em uma variedade de dispositivos optoeletrônicos, está intimamente ligado à fabricação de novos materiais 2D com apenas átomos de espessura. Este mês, um grupo de pesquisadores de valetrônica da Central South University em Changsha, China, desenvolveu um material 2D que aumenta significativamente a utilidade dessas partículas excitantes.
Os detalhes de sua fabricação e uma elucidação de suas propriedades estão descritos na revista Nano Research .

No campo da ciência dos materiais, o termo materiais 2D se refere a sólidos que têm apenas uma camada de átomos de espessura. Estes são de interesse não apenas porque são muito pequenos, mas porque novas propriedades físicas surgem quando um material é reduzido a apenas uma camada atômica. Talvez o material 2D mais famoso seja o grafeno, uma única camada de átomos de carbono, que tem algumas propriedades surpreendentes muito diferentes de outras formas que o carbono assume quando vem a granel (ou mais formalmente, 'cristal a granel'), inclusive sendo cerca de 200 vezes mais forte que o aço.

Mas existem centenas de outros tipos de materiais 2D, que novamente oferecem propriedades muito diferentes à sua forma de cristal em massa. Um desses materiais 2D, dicalcogeneto de metal de transição, ou TMD, é de particular interesse no mundo da optoeletrônica, a ciência e tecnologia de dispositivos emissores e detectores de luz. Subjacente a todos os dispositivos optoeletrônicos está o efeito fotovoltaico, ou a geração de corrente elétrica em um material quando atingido por um feixe de luz – como em uma célula fotovoltaica em um painel solar, e sua forma inversa, a produção de luz a partir de sinais elétricos.

Tal tecnologia depende de materiais que são semicondutores. Para usar o exemplo da célula fotovoltaica novamente, quando a luz atinge um semicondutor, essa energia é suficiente para excitar os elétrons para saltar um "band gap" do nível de valência de um átomo para seu nível de condução - onde esses elétrons excitados, ou mais simplesmente excitons, podem agora fluir livremente em uma corrente elétrica. Com efeito, a luz foi transformada através desta propriedade especial do intervalo de banda dos semicondutores em energia elétrica. Essa mesma propriedade de gap de banda é o que permite que os transistores - feitos de material semicondutor, como o silício - atuem como interruptores liga/desliga usados ​​para armazenar dados na forma de uns e zeros, ou "bits" em computadores.

O material 2D grafeno, um semi-metal, não possui band gap. É um condutor, não um semicondutor. Camadas únicas ("monocamadas") de TMD - feitas de um átomo de metal de transição, como molibdênio ou tungstênio ligado a um átomo da mesma coluna na tabela periódica como oxigênio (os calcogênios), como enxofre, selênio ou telúrio -, no entanto, tem um intervalo de banda. Isso torna os TMDs muito interessantes para a fabricação de transistores e outros dispositivos optoeletrônicos.

Assim como a monocamada de um material tem propriedades diferentes do mesmo material na forma de cristal em massa, os materiais 2D com duas ou três camadas (bicamada ou tricamada) podem ter propriedades diferentes novamente para o mesmo material na forma de monocamada. E um material 2D multicamada composto por camadas de dois ou mais materiais diferentes é chamado de heteroestrutura, que terá ainda mais diferenças em suas propriedades.

Estritamente falando, o termo éxciton refere-se tanto ao elétron quanto ao espaço vazio ou "buraco" que ele deixa para trás, mas ao qual permanece atraído e, portanto, ligado:um par elétron-buraco. Como o elétron tem uma carga negativa, pode-se dizer que o buraco do elétron tem uma carga positiva. Combinados, o par elétron-buraco, ou éxciton, é uma "quasipartícula" eletricamente neutra.

Excitons em materiais 2D também favorecem um dos dois estados de momento, dependendo da polarização da luz que os excitou. Esses momentos favorecidos são frequentemente conhecidos como "vales", pois é preciso muita energia para mover um éxciton para cima de um estado de momento favorável para baixo para o outro.

Essa natureza binária liga/desliga de tais vales de excitons oferece potencialmente uma nova maneira de armazenar um bit e realizar operações lógicas. O campo emergente da "valleytronics", que investiga esse fenômeno, explodiu nos últimos anos devido à variedade de aplicações potenciais, incluindo operações lógicas incrivelmente rápidas e, talvez um dia, computação quântica em temperatura ambiente de pequeno porte.

Normalmente, os éxcitons existem dentro de uma camada de material 2D – um éxciton intracamada. Mas também existe um tipo exciton de intercamadas exótico, aquele que existe entre duas monocamadas, com o elétron e o buraco localizados em camadas diferentes. Esses próprios excitons intercamadas têm várias propriedades novas e tentadoras, incluindo tempos de vida significativamente mais longos do que suas contrapartes intracamadas, expandindo as aplicações em dispositivos de excitons de longa vida.

Bicamadas de TMDs nos últimos anos tornaram-se especialmente atraentes para pesquisadores de optoeletrônica porque são particularmente boas em hospedar esses excitons intercamadas.

Mas os pesquisadores da Central South University pensaram que poderiam ir uma camada melhor.

"A maioria dos estudos de excitons de TMD é obcecada por heteroestruturas compostas por duas TMDs de monocamada diferentes", disse Yanping Liu, físico e engenheiro especializado em valetrônica e autor correspondente do artigo. "Mas nosso interesse era projetar uma heteroestrutura de três camadas com alinhamento de banda tipo II."

Em comparação com heteroestruturas TMD de camada dupla com alinhamento de banda tipo II, o alinhamento de banda tipo II de camada tripla oferece, em princípio, uma série de melhorias de eficiência, e os excitons intercamadas devem ter uma vida útil ainda maior, aumentando o potencial de aplicação de TMDs em dispositivos como fotodetectores , diodos emissores de luz, lasers e energia fotovoltaica. Mas até agora, os éxcitons intercamadas só haviam sido observados em heteroestruturas TMD de duas camadas.

A equipe foi capaz de fabricar uma heteroestrutura TMD de três camadas (composta de molibdênio e enxofre, molibdênio e selênio e tungstênio e selênio), que eles observaram usando espectroscopia de fotoluminescência. Eles confirmaram a presença de excitons interlayer e descreveram várias propriedades e requisitos do fenômeno.

Tendo fabricado a nova heteroestrutura de TMD, confirmado a existência de excitons interlayer de longa duração e propriedades e requisitos extensivamente catalogados, a equipe agora precisa investigar com mais precisão a gama de aplicações potenciais para seus TMD em dispositivos optoeletrônicos. + Explorar mais

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