De juiste draai vinden in nanofysica

Nieuwe, ultradunne nanomaterialen vertonen opmerkelijke eigenschappen. Als je bijvoorbeeld afzonderlijke atomair dunne lagen kristallen in een verticaal geheel op elkaar stapelt, kunnen fascinerende fysieke effecten optreden. Dubbellagen van het wondermateriaal grafeen, verdraaid door de magische hoek van 1,1 graden, kunnen bijvoorbeeld supergeleiding vertonen. En onderzoekers richten hun aandacht ook op dubbellaagse halfgeleidende heterostructuren gemaakt van zogenaamde overgangsmetaaldichalcogeniden, die zwak bij elkaar worden gehouden door van der Waals-krachten.

De onderzoeksgroep onder leiding van Alexander Högele onderzoekt zulke nieuwe heterostructuren, die in de natuur niet voorkomen. “De combinatie van materialen, het aantal lagen en hun relatieve oriëntatie leiden tot een breed scala aan nieuwe verschijnselen”, zegt de LMU-natuurkundige.

“In het lab kunnen we fysische fenomenen op maat maken voor verschillende toepassingen in elektronica, fotonica of kwantumtechnologie met eigenschappen die onbekend zijn in natuurlijk voorkomende kristallen.” Experimenteel waargenomen verschijnselen zijn echter niet altijd gemakkelijk te interpreteren, zo blijkt uit een nieuw artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie demonstreert.

Högele’s team onderzocht een heterobilayer-systeem dat bij elkaar wordt gehouden door van der Waals-krachten en is vervaardigd uit halfgeleidermonolagen van molybdeendiselenide (MoSe₂) en wolfraamdiselenide (WSe₂). Afhankelijk van de oriëntatie van de afzonderlijke lagen kunnen moiré-effecten ontstaan.

Deze effecten, die we uit het dagelijks leven kennen, ontstaan ​​ook in de nanowereld wanneer twee verschillende atoomroosters op elkaar worden gestapeld, of twee identieke roosters ten opzichte van elkaar worden verdraaid. Het verschil in de nano-behuizing is dat het geen optisch effect is. In de kwantummechanische wereld van atomair dunne kristalheterostructuren heeft moiré-interferentie een dramatische invloed op de eigenschappen van het composietsysteem, en heeft het ook invloed op elektronen en sterk gebonden elektron-gatparen, of excitonen, legt Högele uit.

“Ons werk laat zien dat het naïeve idee van een perfect moirépatroon in heterobilayer MoSe₂-WSe₂ is niet noodzakelijkerwijs waar, vooral niet voor kleine rotatiehoeken. Daarom zal de interpretatie van de tot nu toe waargenomen fenomenologie gedeeltelijk moeten worden herzien”, zegt Högele. In plaats van periodieke moirépatronen zijn er zijdelings uitgestrekte gebieden die vrij zijn van moiré-interferenties.

Bovendien zijn er zones met interessante kwantummechanische effecten, zoals eendimensionale kwantumdraden of quasi-nul-dimensionale kwantumdots die mogelijk levensvatbaar zijn voor toepassingen in kwantumcommunicatie op basis van ruimtelijk gelokaliseerde excitonen met emissiekarakteristieken van één foton. In het laatste geval transformeren ideale moirépatronen vermoedelijk in periodieke patronen met driehoekige of zeshoekige tegels.

De reden lijkt te liggen in een elastische vervorming van de roosterstructuur die afhangt van de oriëntatie van de lagen. De atomen worden uit hun evenwichtsposities verplaatst, wat ten koste gaat van verhoogde spanning in individuele lagen, maar bevordert een betere hechting tussen de lagen.

Het resultaat is een energielandschap in het heterodubbellagensysteem dat door middel van rationeel ontwerp ontworpen en potentieel benut kan worden. “We observeren ook collectieve verschijnselen in synthetische kristallen, waar periodieke moiré-patronen een dramatisch effect hebben op de beweging van elektronen en hun onderlinge interacties”, zegt Högele.

Van doorslaggevend belang is het begrip van excitonen – elektron-gatparen – die kenmerkend zijn voor de verschillende soorten atomaire registers in dubbellaagse kristalheterostructuren en die mogelijk kunnen worden gebruikt in toekomstige opto-elektronische toepassingen. Deze excitonen worden door middel van lichtabsorptie gegenereerd in halfgeleidende overgangsmetaaldichalcogeniden en weer omgezet in licht.

“Excitonen fungeren dus als bemiddelaars van licht-materie-interactie in halfgeleiderkristallen”, zegt Högele. Zoals het huidige artikel laat zien, ontstaan ​​​​er verschillende soorten excitonen, afhankelijk van de feitelijke structuur van de heterodubbellaagsystemen in parallelle of antiparallelle uitlijning. “We willen leren hoe we heterostructuren van der Waals kunnen vervaardigen met aangepaste eigenschappen in een deterministische benadering om de rijke opkomende fenomenologie van gecorreleerde effecten zoals magnetisme of supergeleiding te beheersen.”