Atomair dunne halfgeleiders voor nanofotonica

Atomair dunne halfgeleiders zoals molybdeendisulfide en wolfraamdisulfide zijn veelbelovende materialen voor fotonische apparaten op nanoschaal. Deze ongeveer 2D-halfgeleiders ondersteunen zogenaamde excitonen, dit zijn gebonden elektron-gatparen, die verticaal kunnen worden uitgelijnd langs het dunne vlak van de materialen.

Excitonen zijn gebonden elektron-gat-paren die kunnen interageren met elektrische ladingen, spins en fononen. Deze reeks interacties geeft aan dat excitonen een nieuwe golf van apparaten kunnen inluiden op basis van fotonica en opto-elektronica op nanoschaal.

Voor zijn Ph.D. proefschrift onderzocht Rasmus Godiksen het excitongedrag in atomair dunne halfgeleiders, met de nadruk op uitgezonden licht, door het potentieel van excitonen in ultradunne halfgeleiders zoals molybdeendisulfide (MoS₂) en wolfraamdisulfide (WS₂). De halfgeleiders zijn zo dun dat ze kunnen worden benaderd als 2D-materialen. Dus in feite bestudeerde Godiksen excitonen in 2D-materialen.

Gevoeligheid

Ten eerste toonden Godiksen en zijn medewerkers aan dat de 2D-excitonen erg gevoelig zijn voor hun nanoscopische omgeving. Met behulp van fotoluminescentie (PL) beeldvormingstechnieken maten ze fluorescentiefluctuaties als gevolg van ladingsoverdracht naar de halfgeleider. Dergelijke fluctuaties zijn ruimtelijk gecorreleerd over tientallen micrometers in WS₂ monolagen op metaalfilms.

Vanwege ladingsfluctuaties van valtoestanden (dit zijn toestanden die geëxciteerde dragers zoals elektronen, gaten en excitonen vangen), volgen ze de machtswetstatistieken met gelijktijdige veranderingen in emissie-intensiteit, levensduur en exciton-trion-verhoudingen. Machtswetstatistieken zijn een indicator voor het vangen en ontvangen van excitonen, dus dit levert bewijs van opgesloten toestanden.

Vrijheidsgraad van de vallei

Excitaties in WS₂ hebben ook een mate van vrijheid met betrekking tot valleien, die spinpolarisatie koppelt aan momentumrichting. Valleien in de bandstructuur kunnen worden verkend met circulair gepolariseerd licht. Het opwinden of detecteren van een exciton in een vallei kan bijvoorbeeld worden gebruikt in informatietechnologieën.

Het contrast in spin-valleipolarisatie in enkele lagen WS . verklaren₂ en wolfraamdiselenide (WSe₂), gebruikte Godiksen laag- en temperatuurafhankelijke circulair gepolariseerde PL-metingen. Dit bracht hun contrasterende polarisaties in verband met een ander momentum van hun geleidingsbandminima.

De algehele spin-valleidynamiek wordt bepaald door de levensduur van het exciton en de vallei. De gepolariseerde emissie in de vallei wordt bepaald door concurrerende levensduren: de levensduur van het exciton en de levensduur van de vallei. Door de levensduur van het exciton te verkorten, is het mogelijk de gepolariseerde emissie van de vallei te vergroten. Dit komt omdat excitonen recombineren en sneller licht uitzenden dan dat ze naar de andere beschikbare valleien verstrooien.

Door de afstand van een WS . te veranderen₂ dubbellaag naar een spiegel, verhoogt de excitatieverbetering de exciton-excitonannihilatie, wat resulteert in een hogere polarisatie.

Silicium nanoresonatoren

Ten slotte bestudeerde Godiksen het gebruik van silicium nanoantenne om de interactie van circulair gepolariseerd licht met vallei-gepolariseerde excitonen verder te verbeteren. Hij toonde aan dat nanoschijven van kristallijn silicium de circulaire polarisatie van licht in het nabije veld behouden, zoals vereist voor extra verbetering van de vallei-gepolariseerde emissie.

De resultaten van Godiksen bevorderen het begrip van de interacties van excitonen met ladingen, spins en fotonen met implicaties voor een reeks nanofotonische apparaten die atomair dunne halfgeleiders gebruiken.

Enkele fotonbronnen zijn interessant voor kwantumcomputing, moleculaire sensoren kunnen de gevoeligheid verhogen tot op het niveau van een enkel molecuul, en valleytronic-apparaten kunnen de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie elektronische apparaten op basis van valleipolarisatie.