Exzitonen sind Elektron-Loch-Paare in Halbleitern, die durch starke Coulomb-Wechselwirkungen elektrostatisch gebunden sind. In ultradünnen 2D-Halbleitern mit einer Dicke von wenigen Atomen (typischerweise ~0,7 nm) führt die verringerte z-Dimension zu einer starken Quantenbeschränkung und verringerten dielektrischen Effekten, die eine Vielzahl stabiler Exzitonenarten (neutrale Exzitonen, Trionen, Biexzitonen, defektgebundene Exzitonen) aufweisen ).
In einer solchen Matrixumgebung gewährleistet die hohe Bindungsenergie zwischen Elektron und Loch die Exzitonenstabilität und eine lange Lebensdauer, was sich in einer erhöhten Wahrscheinlichkeit einer Strahlungsrekombination zur Bildung von Photonen niederschlägt.
Insbesondere Trionen und neutrale Exzitonen haben im Laufe der Jahre aufgrund ihrer herausragenden Stabilität und ihres Beitrags zum Gesamtemissionsprofil von WS2-Monoschichten Aufmerksamkeit erregt.
Im Vergleich dazu sind Trionen zusammengesetzte Fermionen, die aus einem neutralen Exziton und einem zusätzlichen Ladungsträger (Elektron oder Loch) bestehen. entweder in Form eines negativen Trions (zwei Elektronen mit einem Loch) oder eines positiven Trions (ein Elektron mit zwei Löchern), wobei die Ladungen unter ähnlicher elektrostatischer Anziehung gebunden sind.
Aufgrund des Vorhandenseins des zusätzlichen Ladungsträgers wird erwartet, dass Trionen zusätzlich zu den Tal-Freiheitsgraden, die für diese excitonischen Spezies verfügbar sind, auch Spin- und Ladungsfreiheitsgrade besitzen. Aus dieser Perspektive wird erwartet, dass Trionen im Vergleich zu Exzitonen und Elektronen mehr Informationen enthalten, was ein erhöhtes Potenzial für den jüngsten Boom bei Quantenanwendungen (Quantenoptik, Quantencomputer, Quantenmaterialien) mit sich bringt.
Wenn anschließend WS2 auf einer dünnen Schicht eines gesputterten ZnO-Films angeordnet wird, wandern Ladungen aufgrund der inhärenten Differenz der Oberflächenpotentiale oder der Austrittsarbeit zwischen den beiden Materialien über die Verbindungsstelle.
Durch die Etablierung einer so genannten gestaffelten Lückenausrichtung vom Typ II aufgrund der unterschiedlichen Bandkantenpositionen dieser Materialien wandern die Elektronen anschließend in WS2, während sich die Löcher bei ZnO sammeln. Folglich fördern die übermäßigen Mengen an Elektronen in WS2 die Trionbildung, wenn photoangeregte Elektron-Loch-Paare in Gegenwart dieser Elektronen rekombinieren.
„Durch eine sorgfältige Auswahl dieser Halbleiterkomponenten mit unterschiedlichen Bandmerkmalen sind wir in der Lage, die Typ-II-Bandausrichtung zu etablieren, um eine Ladungstrennung für eine verbesserte Trion-Emission zu induzieren.“ sagte Dr. Poh, korrespondierender Autor des Papiers. „Mit anschließenden KPFM-Messungen konnten wir die relative Austrittsarbeit zwischen diesen Materialien ermitteln, um das Bandausrichtungsmodell zu rekonstruieren und die mit dem beobachteten Phänomen verbundenen Mechanismen zu bestätigen.“
„Der spektroskopische Anstieg des Trion-zu-Exziton-Verhältnisses beweist, dass wir die einfache Strategie einer Heterostruktur nutzen können, um permanente und stabile Trionen zu erzeugen, im Vergleich zu Photodotierungsstrategien, bei denen Trionpopulationen stark von der Messanregungsquelle abhängen“, sagte Herr Leong. der Erstautor des Papiers, fügte hinzu.
Aufgrund dieser ersten Ergebnisse geht das Team davon aus, dass eine weitere Erforschung eines breiteren Spektrums an Materialkandidaten und komplexer Heterostrukturgeometrien die Effizienz der Umwandlung von Exzitonen in Trionen verbessern würde, mit dem Ziel, Emissionen zu erreichen, die ausschließlich aus Trionen bestehen, was einen noch größeren Wert in der Forschung bieten könnte Erforschung hocheffizienter Quantengeräte.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft China Informationswissenschaften.
Mehr Informationen:
Jin Feng Leong et al., Selektive Anreicherung trionischer Emission in einem WS2-ZnO-Hybrid durch Typ-II-Bandausrichtung, Wissenschaft China Informationswissenschaften (2023). DOI: 10.1007/s11432-022-3719-4