IZKORIŠČANJE EKSCITONSKO–EKSCITONSKE ANIHILACIJE PRI DVODIMENZIONALNIH POLPREVODNIKIH

datum: 01.07.2020

kategorija: Sporočila za javnost

 

Član laboratorija za lasersko tehniko (LASTEH), Dr. Daniele Vella, je skupaj s strokovnjaki iz Japonske in Singapurja sodeloval pri raziskavi o izkoriščanju ekscitonsko–ekscitonske anihilacije pri dvodimenzionalnih polprevodnikih. Rezultate raziskave so objavili v prestižni reviji Nano Letters z visokim faktorjem vpliva 12.279.

Dvodimenzionalni polprevodniški dihalkogenidi prehodnih kovin (TMD) predstavljajo nov razred nanomaterialov za prihodnje nastajajoče tehnologije v nanoelektroniki, optoelektroniki in fotoniki. Miniaturizacija tranzistorjev in optoelektronskih naprav sta pokazali na svoje meje glede zmanjševanja dolžine kanala tranzistorja, kar povzroča takoimenovane učinke kratkega kanala. V zadnjem desetletju so raziskovalci po vsem svetu pokazali na možnost izdelovanja naprav nanovelikosti z mobilnostjo elektronov, primerljivo s silicijevimi napravami. Poleg tega TMD-ji kažejo na močne interakcije svetlobe s snovjo (10-odstotna absorpcija svetlobe) in na prehod od posredne (nekajplastni sistem) do neposredne širine prepovedanega pasu pri enoplastni meji, ki je posledica kvantne zajezitve. Ta koncept je omogočil študije fotoluminiscence, elektroluminescence in izkoriščanja energije za temeljne znanosti in prihodnje aplikacije. Ko so TMD-ji fotovzbujeni, se v material generirajo ekscitoni (vezano stanje elektrona in jame, ki se privlačita s Coulombovimi interakcijami). Pri tradicionalnem polprevodniku je njihova vezivna energija reda približno 10 meV, v enoslojnih TMD-jih pa je lahko 500 meV. Ta močna vezivna energija je zaradi zmanjšanega presejanja Coulombovih interakcij v enoplastnem sloju omogočila opazovanje eksitonskega optičnega prehoda v absorpcijskem spektru pri sobni temperaturi. Fizika TMD-jev se spreminja z gostoto vzbujanja (laserska fluenca) in stopnjo nečistoč, ki prikazuje različne interakcije teles, ki vključujejo nabite delce in več ekscitonov. Razumevanje fotofizike naprav na osnovi TMD postaja pomembno za razvoj učinkovitejših naprav za izkoriščanje energije in elektrooptičnih naprav.


V pričujočem prispevku avtorji poročajo o nekonvencionalnem foto-odzivu van der Waalsovih heterostrukturnih naprav, ki je posledica učinkovite ekscitonsko-ekscitonske anihilacije (EEA). V ta namen so uporabili heterostrukture kovinsko izoliranih polprevodnikov, sestavljenih iz enoplastnega dihalkogenida prehodnih kovin (TMD), heksagonalnega bornitrida (hBN) in nekajplastnega grafena. Raziskovali so dinamiko fotovzbujenih nosilcev heterostrukture z merjenjem spektralnih značilnosti v  odvisnosti od smeri foto-toka, ki jih generirajo fotoni z različno energijo od 1,65 do 2,91 eV. V napravi nastaja foto-tok, kadar imajo fotovzbujeni nosilci dovolj energije za premagovanje visokoenergijske bariere hBN. Zanimivo je, da naprava kaže zmerno kvantno učinkovitost fototoka tudi takrat, ko je polprevodniška plast TMD vzbujena pri njeni temeljni ekscitonski resonanci kljub visoki energiji vezave ekscitona in veliki transportni barieri. Pri pozitivni smeri toka je spekter fototoka brez posebnosti, za fototok pa je odgovoren medplastni prenos naboja netermaliziranih fotonosilcev s Fowler-Nordheimovim tunelskim učinkom. V zaporni smeri ima fototok podobno mejno vedenje, vendar z dvema izrazitima vrhovoma, ki ustrezata absorpcijski resonanci ekscitona. Opazovanje končnega fototoka pri energiji vzbujanja pod kvazidelčni širini prepovedanega pasu TMD-jev kaže, da se eksciton loči, pri tem pa ustvari vroče jame z dovoljšnjim presežkom energije, da premaga potencialno bariero zaradi hBN. Dokazali so, da je EEA odgovorna za ločitev ekscitonov in posledično nastajanje vročih nosilcev. Njihove ugotovitve poudarjajo prevladujočo vlogo EEA pri določanju fotoodziva 2D polprevodniških optoelektronskih naprav in predvidevajo na možnost uporabe inteligentne zasnove heterostruktur z izbiro materialov in inženiringom prepovedanih pasov, ki omogočajo izboljšane naprave za izkoriščanje energije z izkoriščanjem procesov EEA pri dvodimenzionalnih polprevodnikih.

Vsebina izvirnega znanstvenega članka je prosto dostopna na povezavi.

 

Vela naslovna

nazaj na seznam