Tip-verbeterde spectroscopie draagt ​​bij aan het maken van ’transformator’ halfgeleiderdeeltjes

Is het mogelijk om draagbare apparaten zoals het pak van Spiderman te maken die dun en zacht zijn, maar ook elektrische en optische functionaliteiten hebben? Het antwoord ligt in het produceren van nieuwe materialen die veel verder gaan dan de prestaties van bestaande materialen en het ontwikkelen van technologie die de nauwkeurige controle van de fysieke eigenschappen van dergelijke materialen mogelijk maakt.

Door overgangsmetaaldichalcogenide (TMD) in een enkele laag te scheiden, net als grafeen, transformeert het in een dun, tweedimensionaal (2D) filmmateriaal dat de kenmerken vertoont van hoogpresterende halfgeleiders. Door twee ongelijksoortige TMD-lagen te stapelen, kunnen verschillende combinaties van TMD-typen en stapelmethoden unieke eigenschappen opleveren.

Om deze reden trekken 2D-halfgeleiders op basis van heterostructuren de aandacht als een belangrijk materiaal van de volgende generatie voor de elektronica-industrie in de academische wereld en industrieën over de hele wereld. Het is echter nog steeds een hele uitdaging om ze op de markt te brengen vanwege de moeilijkheid om de fysieke eigenschappen van hun quasideeltjes nauwkeurig te beheersen.

Professor Kyoung-Duck Park, Yeonjeong Koo en Hyeongwoo Lee van de afdeling Natuurkunde van POSTECH voerden gezamenlijk onderzoek uit met het team van de ITMO Universiteit in Rusland onder leiding van professor Vasily Kravtsov om een ​​multifunctionele tip-verbeterde spectroscopie te ontwikkelen die dynamisch de quasipartikels van een 2D-materiaal in een kleine ruimte.

Het team heeft met succes halfgeleiderdeeltjes gecontroleerd, zoals excitonen tussen lagen en trionen tussen lagen die worden gevormd op TMD-heterobilagen door spectroscopie te gebruiken op ongeveer het 20-nm-niveau. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingen.

Net als excitonen vertonen tussenliggende excitonen van TMD-heterobilagen fotoluminescentie (PL), wat een van de eigenschappen is van halfgeleidermaterialen. Tussenlaagse excitonen, die elektrisch neutrale quasideeltjes zijn, kunnen worden gebruikt in halfgeleiderapparaten van de volgende generatie met minder warmte, aangezien ze deels uit licht en deels uit materie bestaan. Ze kunnen ook worden gebruikt als lichtbron voor kwantuminformatietechnologieën vanwege hun langere coherentietijd dan die van excitonen. Toch zijn er verschillende hindernissen te overwinnen bij de toepassing ervan. Ze hebben een zeer lage lichtopbrengst bij kamertemperatuur en het is moeilijk om hun lichtenergie te moduleren.

Het POSTECH-team onder leiding van professor Park, dat in zijn eerdere onderzoek technologie had voorgesteld voor het beheersen van excitonen in ruimtes op nanoschaal, heeft met succes de multifunctionele tip-verbeterde spectroscopie ontwikkeld die kan worden aangepast door gigapascal (GPa) -schaaldruk en near-field-intensiteit .

De spectroscopie kan de lichtefficiëntie van excitonen tussen de lagen met ongeveer 9.000 keer verhogen en hun lichtenergie (de kleur van het licht) dynamisch moduleren. Bovendien stelde de tip-gebaseerde hete-elektroneninjectietechnologie het team in staat om ’s werelds eerste dynamische controle van de conversie van quasi-deeltjes tussen excitonen tussen lagen en trionen tussen lagen te bereiken.

Het belangrijkste voordeel van de doorbraak in onderzoek is dat het helpt bij het dynamisch regelen van de fysieke eigenschappen van de quasideeltjes onder de omstandigheden van kamertemperatuur en atmosferische druk en het in realtime analyseren van de optische kenmerken van halfgeleiderdeeltjes met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 20 nm, wat is veel korter dan de golflengte van licht.

Yeonjeong Koo, een van de twee co-eerste auteurs van het onderzoeksartikel, legde uit: “De spectroscopie die het team heeft ontwikkeld, kan worden gebruikt bij het identificeren van nieuwe fysische eigenschappen van individuele halfgeleiderdeeltjes, zoals excitonen tussen de lagen van de TMD-heterobilagen. Ik ben erg aan het kijken uit naar de volgende fysieke ontdekkingen.”

De onderzoeksresultaten zullen naar verwachting mogelijkheden openen voor verschillende toepassingen van 2D-halfgeleiders op basis van heterostructuren die uitgebreid worden bestudeerd als materiaal van de volgende generatie. Het feit dat fundamenteel onderzoek in de ontwikkeling van meetinstrumenten in grote mate heeft bijgedragen aan de uitkomst, kreeg nog meer aandacht in het veld.

De technologie zal naar verwachting ook worden gebruikt bij de ontwikkeling van ultradunne draagbare opto-elektronische apparaten met hoge luminantie. De prestatie is des te betekenisvoller in de huidige situatie waarin de VS, Japan en China strijden om dominantie op de markt voor halfgeleiderapparatuur en technologische barrières opwerpen.