Nieuwe studie presenteert tip-geïnduceerde nano-engineering van spanning, bandgap en exciton-trechters in 2D-halfgeleiders

Een onderzoeksteam, geleid door professor Kyoung-Duck Park van de afdeling Natuurkunde van UNIST, is erin geslaagd de fysieke eigenschappen van natuurlijk gevormde rimpels op nanoschaal in tweedimensionale (2D) halfgeleiders te onderzoeken en te beheersen. Dit is te danken aan hun eerder ontwikkelde hyperspectrale adaptieve tip-enhanced fotoluminescentie (a-TEPL) spectroscopie. Dit zal een grote stap voorwaarts zijn in de ontwikkeling van flinterdunne, ultraflexibele displays.

Rimpels zijn een onvermijdelijke structurele vervorming in 2D-halfgeleidermaterialen, die volgens het onderzoeksteam aanleiding geeft tot ruimtelijke heterogeniteit in materiaaleigenschappen. Dergelijke structurele vervorming wordt lange tijd beschouwd als een van de belangrijkste technische uitdagingen bij de productie van halfgeleiders, omdat dit de uniformiteit in structurele, elektrische en optische eigenschappen van halfgeleiders zou schaden. Bovendien, omdat de grootte van deze rimpels vrij klein is, was de nauwkeurige analyse van hun structurele, optische en excitonische eigenschappen onmogelijk met conventionele spectroscopische instrumenten. “Recente benaderingen van strain-engineering hebben het mogelijk gemaakt om sommige van deze eigenschappen af ​​te stemmen, maar er is geen poging gedaan om de geïnduceerde spanning van natuurlijk gevormde rimpels op nanoschaal te beheersen, terwijl tegelijkertijd hun gewijzigde nano-optische eigenschappen worden onderzocht”, merkte het onderzoeksteam op.

In deze studie presenteerde het onderzoeksteam een ​​hyperspectrale TEPL nano-imaging-aanpak, gecombineerd met nano-optomechanische spanningscontrole, om de nano-optische en -excitonische eigenschappen van natuurlijk gevormde rimpels in een WSe2 ML te onderzoeken en te controleren. Deze benadering stelde hen in staat om de gewijzigde elektronische eigenschappen en het excitongedrag bij de rimpel te onthullen, geassocieerd met de geïnduceerde uniaxiale trekspanning aan de top. Op basis hiervan was het onderzoeksteam in staat om de rimpelstructuur te exploiteren als een platform voor spanningsengineering op nanoschaal. De precieze controle van de atomaire krachttip stelde hen ook in staat om de excitonische eigenschappen van TMD ML’s in de nano-lokale regio’s op een volledig omkeerbare manier te ontwikkelen, merkte het onderzoeksteam op.

Het onderzoeksteam presenteerde verder een meer systematisch platform voor dynamische nano-emissiecontrole van de rimpel door programmeerbaar-operationele schakel- en modulatiemodi in tijd en ruimte aan te tonen. “We stellen ons voor dat onze aanpak toegang geeft tot potentiële toepassingen in kwantum-nanofotonische apparaten, zoals heldere nano-optische bronnen voor lichtemitterende diodes, nano-optische schakelaar/multiplexer voor optische geïntegreerde schakelingen en excitoncondensaatapparaten”, aldus het onderzoek. team.

Ondertussen namen professor Ki Kang Kim en Dr. Soo Ho Choi van de Sungkyunkwan University en professor Hyun Seok Lee van de Chungbuk National University deel aan de productie van 2D-halfgeleidermaterialen die in het onderzoek werden gebruikt. Professor Geunsik Lee en Dr. Yongchul Kim van de afdeling Scheikunde van UNIST namen ook deel aan de theoretische berekening van de bevindingen.

De bevindingen van dit onderzoek zijn gepubliceerd in de online versie van Geavanceerde materialen, voorafgaand aan de druk, op 11 mei 2021. Het is ook geselecteerd als de voorkant van de uitgave van april 2021 van het tijdschrift. Bovendien kreeg de brontechnologie van deze nanomechanische spanningstechniek een officieel patent.