Semicondutores atomicamente finos, como dissulfeto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio, são materiais promissores para dispositivos fotônicos em nanoescala. Esses semicondutores aproximadamente 2D suportam os chamados excitons, que são pares elétron-buraco ligados, que podem se alinhar verticalmente ao longo do plano fino dos materiais.
Excitons são pares elétron-buraco ligados que podem interagir com cargas elétricas, spins e fônons. Essa gama de interações indica que os excitons podem anunciar uma nova onda de dispositivos baseados em fotônica e optoeletrônica em nanoescala.

Para seu Ph.D. tese, Rasmus Godiksen investigou o comportamento do éxciton em semicondutores atomicamente finos, com foco na luz emitida, explorando o potencial de éxcitons em semicondutores ultrafinos, como o dissulfeto de molibdênio (MoS₂ ) e dissulfeto de tungstênio (WS₂ ). Os semicondutores são tão finos que podem ser aproximados como materiais 2D. Então, com efeito, Godiksen estudou excitons em materiais 2D.

Sensibilidade

Primeiro, Godiksen e seus colaboradores mostraram que os excitons 2D são muito sensíveis ao seu ambiente nanoscópico. Usando técnicas de imagem de fotoluminescência (PL), eles mediram as flutuações de fluorescência devido à transferência de carga para o semicondutor. Tais flutuações são espacialmente correlacionadas em dezenas de micrômetros em WS₂ monocamadas em filmes metálicos.

Devido às flutuações de carga dos estados de armadilha (que são estados que aprisionam portadores excitados como elétrons, buracos e excitons), eles seguem estatísticas de lei de potência com mudanças simultâneas na intensidade de emissão, tempo de vida e relações exciton-trion. As estatísticas de lei de potência são um indicador de captura e eliminação de excitons, portanto, isso fornece evidências de estados presos.

Grau de liberdade do vale

Excitons em WS₂ também têm um grau de liberdade em relação aos vales, que acopla a polarização do spin à direção do momento. Vales na estrutura da banda podem ser explorados usando luz circularmente polarizada. Excitar ou detectar um exciton em um vale pode ser usado em tecnologias de informação, por exemplo.

Para explicar o contraste na polarização do vale de rotação em algumas camadas de WS₂ e disseleneto de tungstênio (WSe₂ ), Godiksen usou medições PL polarizadas circularmente dependentes de camada e temperatura. Isso relacionou suas polarizações contrastantes a um momento diferente de seus mínimos de banda de condução.

A dinâmica geral do vale de spin é governada pelos tempos de vida do éxciton e do vale. A emissão polarizada do vale é determinada por tempos de vida concorrentes – o tempo de vida do éxciton e o tempo de vida do vale. Ao diminuir o tempo de vida do éxciton, é possível aumentar a emissão polarizada do vale. Isso ocorre porque os excitons se recombinam e emitem luz mais rapidamente do que se espalham para os outros vales disponíveis.

Alterando a distância de um WS₂ bicamada para um espelho, o aumento da excitação aumenta a aniquilação exciton-exciton resultando em maior polarização.

Nanorressonadores de silício

Finalmente, Godiksen estudou o uso de nanoantenas de silício para melhorar ainda mais a interação da luz polarizada circularmente com os excitons polarizados em vale. Ele mostrou que os nanodiscos de silício cristalino preservam a polarização circular da luz no campo próximo, conforme necessário para o aprimoramento adicional da emissão polarizada em vale.

Os resultados de Godiksen avançam na compreensão das interações de excitons com cargas, spins e fótons com implicações para uma variedade de dispositivos nanofotônicos usando semicondutores atomicamente finos.

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