Des scientifiques du Naval Research Laboratory (NRL) des États-Unis ont fabriqué une structure bicouche composée de deux matériaux monocouches différents, et observé un état électronique unique formé par l'interaction entre ces deux couches.

Dichalcogénures de métaux de transition (TMD), tels que les composés inorganiques diséléniure de molybdène (MoSe 2 ) et le diséléniure de tungstène (WSe 2 ), sont une classe de matériaux en couches bidimensionnels (2-D) apparentés au graphène. De nouvelles hétérostructures peuvent être fabriquées en empilant des monocouches uniques de ces matériaux et les propriétés peuvent être adaptées par le choix et la séquence de ces monocouches.

« Sur la base des résultats expérimentaux, nous avons développé un nouveau modèle d'interaction entre ces matériaux qui a de larges implications sur leur comportement et leur utilisation, " a déclaré le Dr Aubrey Hanbicki, chercheurs en physique et auteur principal de l'étude. "Nous montrons comment l'interaction entre les couches peut modifier leur comportement pour créer un nouveau système composite."

Cette nouvelle classe de matériaux composée de feuilles atomiquement minces a le potentiel d'avoir un impact sur un large éventail de technologies importantes pour la Marine et le ministère de la Défense (DoD), déclare le Dr Berend T. Jonker, chercheur principal de l'effort. Ceux-ci vont des capteurs chimiques pour détecter les agents de guerre chimique, explosifs et produits chimiques industriels toxiques, à de nouveaux dispositifs optoélectroniques destinés à être utilisés dans des émetteurs monophotoniques, nano-lasers, photovoltaïque, et photodétecteurs.

"En couches simples, de nombreux TMD sont des semi-conducteurs optiquement actifs avec des propriétés nouvelles et exotiques, " expliqua Hanbicki. " Lorsqu'il est éclairé par une lumière supérieure à une longueur d'onde spécifique, en fonction de la bande interdite du matériau, les électrons sont excités de la bande de valence dans la bande de conduction, laissant derrière eux un "trou" chargé positivement. L'électron chargé négativement et son trou sont alors attirés l'un vers l'autre et peuvent former une paire électron-trou appelée exciton. Après un temps très court, ils se recombinent et émettent de la lumière à une longueur d'onde caractéristique du matériau."

Typiquement, la durée de vie de tels excitons est très courte. Cependant, la durée de vie et la longueur d'onde d'émission peuvent être adaptées en sélectionnant judicieusement deux monocouches TMD dissemblables pour former une bicouche. Avec le bon choix de matériaux, l'électron et le trou peuvent résider dans des couches différentes. Ces particules spatialement séparées peuvent former ce qu'on appelle un exciton intercouche (ILE), qui met beaucoup plus de temps à se recombiner.

L'interaction et la recombinaison ultérieure dépendent fortement de la séparation physique de l'électron et du trou, et un soin considérable doit être pris pour concevoir le contact d'interface entre les couches TMD.

La recherche au NRL a utilisé plusieurs processus de fabrication avancés pour empiler et aligner le MoSe monocouche 2 s'écaille sur une seule couche WSe 2 . Le MoSe 2 -WSe 2 La pile a ensuite été encapsulée par des couches ultra-lisses de nitrure de bore hexagonal (hBN), puis « nettoyée » à l'aide d'une nouvelle technique d'aplatissement récemment développée par les scientifiques du LNR.

Par conséquent, le hBN/MoSe ultrapropre 2 -WSe 2 La pile /hBN présente cet exciton intercouche unique même à température ambiante. A basse température, la caractéristique d'émission ILE se divise en deux pics fournissant la première résolution claire de cette division, et permettant un aperçu de l'origine de l'ILE lui-même. En particulier, parce que les pics ILE ont une intensité presque égale, mais polarisation opposée, des calculs théoriques permettent de localiser l'origine de l'ILE.

"Ce travail représente une avancée significative dans notre compréhension générale de l'interaction des TMD dans les hétérostructures et éclairera la conception et la mise en œuvre des futurs dispositifs d'hétérostructure TMD, ", a déclaré Hanbicki.

Ces résultats de recherche sont publiés dans la revue ACS Nano