Die Forscher von Valleytronics stellen neuartige 2D-Materialien mit langlebigen Exzitonen her

Das aufstrebende Gebiet der Valleytronik, das die Impulspräferenz angeregter Elektronen oder Exzitonen in einer Vielzahl von optoelektronischen Geräten ausnutzt, ist eng mit der Herstellung neuartiger 2D-Materialien verbunden, die nur wenige Atome dick sind. In diesem Monat hat eine Gruppe von Valleytronics-Forschern der Central South University in Changsha, China, ein solches 2D-Material entwickelt, das die Nützlichkeit dieser aufregenden Partikel erheblich verbessert.

Die Details seiner Herstellung und eine Erläuterung seiner Eigenschaften sind in der Zeitschrift beschrieben Nanoforschung.

In der Materialwissenschaft bezeichnet der Begriff 2D-Materialien Festkörper, die nur eine Atomschicht dick sind. Diese sind nicht nur deshalb interessant, weil sie sehr klein sind, sondern weil neue physikalische Eigenschaften entstehen, wenn ein Material auf nur diese eine Atomlage verdünnt wird. Das vielleicht berühmteste 2D-Material ist Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die einige erstaunliche Eigenschaften hat, die sich stark von anderen Formen unterscheiden, die Kohlenstoff annimmt, wenn er in großen Mengen vorliegt (oder formaler „Massenkristall“), einschließlich etwa 200 Mal stärker als Stahl.

Aber es gibt Hunderte anderer Arten von 2D-Materialien, die wiederum sehr unterschiedliche Eigenschaften gegenüber ihrer Kristallform bieten. Ein solches 2D-Material, Übergangsmetall-Dichalkogenid oder TMD, ist von besonderem Interesse in der Welt der Optoelektronik, der Wissenschaft und Technologie von Licht emittierenden und Licht detektierenden Geräten. Allen optoelektronischen Geräten liegt der photovoltaische Effekt zugrunde, oder die Erzeugung von elektrischem Strom in einem Material, wenn es von einem Lichtstrahl getroffen wird – wie in einer photovoltaischen Zelle in einem Solarmodul, und seiner umgekehrten Form, der Erzeugung von Licht aus elektrischen Signalen.

Eine solche Technologie hängt von Materialien ab, die Halbleiter sind. Um noch einmal das Beispiel der PV-Zelle zu verwenden: Wenn Licht auf einen Halbleiter trifft, reicht diese Energie aus, um Elektronen anzuregen, um eine „Bandlücke“ vom Valenzniveau eines Atoms auf sein Leitungsniveau zu springen – wo diese angeregten Elektronen oder mehr einfach Exzitonen, können nun frei in einem elektrischen Strom fließen. Tatsächlich wurde das Licht durch diese spezielle Bandlückeneigenschaft von Halbleitern in elektrische Energie umgewandelt. Dieselbe Bandabstandseigenschaft ermöglicht es Transistoren – hergestellt aus Halbleitermaterial wie Silizium – als Ein/Aus-Schalter zu fungieren, die verwendet werden, um Daten in Form von Einsen und Nullen oder „Bits“ in Computern zu speichern.

Das 2D-Material Graphen, ein Halbmetall, hat keine Bandlücke. Es ist ein Leiter, kein Halbleiter. Einzelne Schichten („Monoschichten“) von TMD – bestehend aus einem Übergangsmetallatom wie Molybdän oder Wolfram, das an ein Atom aus derselben Spalte im Periodensystem gebunden ist wie Sauerstoff (die Chalkogene), wie Schwefel, Selen oder Tellur – tun dies jedoch eine Bandlücke haben. Dies macht TMDs für die Herstellung von Transistoren und anderen optoelektronischen Bauelementen sehr interessant.

So wie die Monoschicht eines Materials andere Eigenschaften als das gleiche Material in massiver Kristallform hat, können 2D-Materialien, die zwei oder drei Schichten dick sind (Doppelschicht oder Dreischicht), wieder andere Eigenschaften haben als dasselbe Material in Monoschichtform. Und ein mehrschichtiges 2D-Material, das aus Schichten von zwei oder mehr verschiedenen Materialien besteht, wird als Heterostruktur bezeichnet, die noch mehr Unterschiede in ihren Eigenschaften aufweisen wird.

Genau genommen bezeichnet der Begriff Exziton sowohl das Elektron als auch die Leerstelle oder das „Loch“, das es hinterlässt, an das es aber angezogen und damit gebunden bleibt: ein Elektron-Loch-Paar. Da das Elektron eine negative Ladung hat, kann man sagen, dass das Elektronloch eine positive Ladung hat. Zusammengenommen ist das Elektron-Loch-Paar oder Exziton ein elektrisch neutrales „Quasiteilchen“.

Exzitonen in 2D-Materialien bevorzugen auch einen von zwei Impulszuständen, abhängig von der Polarisation des Lichts, das sie angeregt hat. Diese bevorzugten Impulse werden oft als „Täler“ bezeichnet, da viel Energie benötigt wird, um ein Exziton von einem bevorzugten Impulszustand nach oben in den anderen zu bewegen.

Diese binäre Ein/Aus-Natur solcher Exzitonentäler bietet möglicherweise eine neue Möglichkeit, ein Bit zu speichern und logische Operationen durchzuführen. Das aufstrebende Gebiet der „Valleytronik“, das dieses Phänomen untersucht, ist in den letzten Jahren aufgrund der Bandbreite potenzieller Anwendungen explodiert, darunter unglaublich schnelle logische Operationen und vielleicht eines Tages kleine Quantencomputer bei Raumtemperatur.

Typischerweise existieren Exzitonen innerhalb einer Schicht aus 2D-Material – einem Intralayer-Exziton. Aber es gibt auch einen exotischen Zwischenschichttyp von Exzitonen, eines, das zwischen zwei Monoschichten existiert, wobei sich das Elektron und das Loch in unterschiedlichen Schichten befinden. Diese Zwischenschicht-Exzitonen selbst haben verschiedene neue und verlockende Eigenschaften, einschließlich einer erheblich längeren Lebensdauer als ihre Gegenstücke innerhalb der Schicht, was die Anwendungsmöglichkeiten in langlebigen Exzitonen-Vorrichtungen erweitert.

Doppelschichten von TMDs sind in den letzten Jahren für Optoelektronikforscher besonders attraktiv geworden, weil sie diese Zwischenschicht-Exzitonen besonders gut aufnehmen können.

Aber die Forscher der Central South University dachten, sie könnten noch eine Schicht besser werden.

„Die meisten Studien zu TMD-Exzitonen sind besessen von Heterostrukturen, die aus zwei verschiedenen Monoschicht-TMDs bestehen“, sagte Yanping Liu, ein auf Valleytronik spezialisierter Physiker und Ingenieur und korrespondierender Autor der Veröffentlichung. „Aber unser Interesse galt dem Design einer dreischichtigen Heterostruktur mit Typ-II-Bandausrichtung.“

Im Vergleich zu zweischichtigen TMD-Heterostrukturen mit Typ-II-Bandausrichtung bietet die dreischichtige Typ-II-Bandausrichtung im Prinzip eine Reihe von Effizienzverbesserungen, und die Zwischenschicht-Exzitonen sollten eine noch längere Lebensdauer genießen, was das Anwendungspotenzial von TMDs in Geräten wie Fotodetektoren erhöht , Leuchtdioden, Laser und Photovoltaik. Bisher wurden die Zwischenschicht-Exzitonen jedoch nur in Doppelschicht-TMD-Heterostrukturen beobachtet.

Das Team konnte eine dreischichtige TMD-Heterostruktur (bestehend aus Molybdän und Schwefel, Molybdän und Selen sowie Wolfram und Selen) herstellen, die sie dann mit Photolumineszenz-Spektroskopie beobachteten. Sie bestätigten das Vorhandensein von Zwischenschicht-Exzitonen und beschrieben verschiedene Eigenschaften und Anforderungen des Phänomens.

Nachdem die neuartige TMD-Heterostruktur hergestellt, die Existenz der langlebigen Zwischenschicht-Exzitonen bestätigt und Eigenschaften und Anforderungen umfassend katalogisiert wurden, muss das Team nun die Bandbreite möglicher Anwendungen für ihre TMD in optoelektronischen Geräten genauer untersuchen.

Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press