une, Modulation sur l'interaction de Coulomb. (gauche) Illustration d'un criblage accru des interactions de Coulomb dans les semi-conducteurs 2D. (à droite) Illustration schématique montrant l'impact d'un criblage accru des interactions de Coulomb sur la bande interdite électronique (Eg), l'énergie de liaison des excitons (Eb) et la bande interdite optique (Eopt) des semi-conducteurs 2D. b, Modulation par distribution initiale de photoporteurs dans les structures de bandes électroniques (gauche) La structure de bandes électroniques des TMD monocouches par calcul DFT. La zone verte montre la région de nidification de la bande. (à droite) Voies de relaxation des photoporteurs dans les TMD monocouches, où l'excitation est de l'état fondamental (GS) à la région d'imbrication de bande (BN). c, Modulation par couplage interfacial électron-phonon. (à gauche) Illustration du couplage interfacial électron-phonon (e-ph). (à droite) Dynamique des photoporteurs de la monocouche MoSe2 sur différents substrats. ré, Modulation par ingénierie de l'alignement des bandes d'hétérostructures vdW. (à gauche) Alignement des bandes de l'échantillon tricouche graphène/MoS2/MoSe2. (à droite) Transfert d'électrons du MoSe2 au graphène et sa durée de vie dans la tricouche. Crédit :Yuhan Wang, Zhonghui Nie, Fengqiu Wang
Les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) peuvent héberger un riche ensemble d'espèces excitoniques en raison des interactions de Coulomb considérablement améliorées. Les états excitoniques peuvent présenter de grandes forces d'oscillateur et de fortes interactions lumière-matière, et dominent les propriétés optiques des semi-conducteurs 2D. En outre, en raison de la faible dimensionnalité, la dynamique excitonique des semi-conducteurs 2D peut être plus sensible à divers stimuli externes, enrichir les méthodes de personnalisation possibles qui peuvent être exploitées.
Comprendre les facteurs qui peuvent influencer la dynamique des états excités générés optiquement représente un aspect important de la physique excitonique dans les semi-conducteurs 2D, et est également crucial pour l'application pratique car les durées de vie des états excités sont liées aux chiffres clés du mérite de plusieurs dispositifs optoélectroniques et photoniques. Alors que certaines expériences ont été accumulées pour les semi-conducteurs en vrac, la nature atomique des semi-conducteurs 2D pourrait rendre ces approches moins efficaces ou difficiles à adapter. D'autre part, les propriétés uniques des semi-conducteurs 2D, comme les états excitoniques robustes, la sensibilité aux facteurs environnementaux externes et la flexibilité dans la construction des hétérostructures vdW, promettent des stratégies de modulation différentes des matériaux conventionnels.
Dans un nouvel article de synthèse publié dans Lumière :Sciences et applications, une équipe de chercheurs, dirigé par le professeur Fengqiu Wang de l'Université de Nanjing, La Chine résume les connaissances acquises jusqu'à présent et progresse sur la modulation de la dynamique de relaxation des photoporteurs dans les semi-conducteurs 2D. Après un bref résumé sur la dynamique de relaxation des photoporteurs dans les semi-conducteurs 2D, les auteurs discutent d'abord de la modulation des interactions de Coulomb et des effets qui en résultent sur les propriétés transitoires. Les interactions de Coulomb dans les semi-conducteurs 2D peuvent être modulées en introduisant un blindage supplémentaire de l'environnement diélectrique externe ou des porteurs de charge injectés, conduisant à la modification des bandes interdites des quasi-particules et de l'énergie de liaison des excitons. Ensuite, les facteurs d'influence sur la dynamique des photoporteurs et les méthodes de manipulation sont discutés en fonction des voies de relaxation ou des mécanismes auxquels ils sont associés.
Le premier facteur discuté est la distribution initiale des photoporteurs dans les structures de bandes électroniques, qui peuvent affecter leurs processus de désintégration en permettant différentes voies de relaxation disponibles dans l'espace d'énergie et de quantité de mouvement. Après cela, la relaxation assistée par défaut et assistée par phonons est discutée. Alors que les approches utilisant la relaxation assistée par défaut, telles que le bombardement ionique et l'encapsulation, sont similaires à celles des semi-conducteurs massifs, la modulation sur la relaxation assistée par phonons pour les semi-conducteurs 2D peut être différente.
"D'une part, le couplage entre les porteurs de charge et les phonons peut être amélioré grâce au blindage diélectrique supprimé ; d'autre part, le rapport surface/volume élevé rend les matériaux 2D plus sensibles à l'environnement phononique externe. la flexibilité dans la construction d'hétérostructures vdW et le transfert de charge ultrarapide à travers les interfaces permettent d'adapter la dynamique des photoporteurs grâce à l'ingénierie d'alignement des bandes.
La transition entre différentes espèces de particules offre également la possibilité de moduler en changeant les rapports entre différentes quasiparticules, qui peut modifier la part relative des différentes voies de relaxation, et donc les réponses optiques transitoires de l'ensemble de l'échantillon. Enfin, la modulation de la dynamique de polarisation spin/vallée dans les TMD 2D est discutée, et la discussion se concentre principalement sur les méthodes pour augmenter la durée de vie de la polarisation spin/vallée.
A travers cette revue, les auteurs visent à fournir des conseils pour le développement de méthodes robustes ajustant les comportements de relaxation des photoporteurs et à renforcer la compréhension physique de ce processus fondamental dans les semi-conducteurs 2D. Comme le notent les auteurs en conclusion, "D'énormes efforts de recherche sont encore nécessaires à la fois pour la compréhension fondamentale et la modulation pratique de la relaxation des photoporteurs dans les semi-conducteurs 2D."
