Des chercheurs en optique de l'Université du Texas à Dallas ont montré pour la première fois qu'une nouvelle méthode de fabrication de semi-conducteurs ultrafins produit un matériau dans lequel les excitons survivent jusqu'à 100 fois plus longtemps que dans les matériaux créés avec les méthodes précédentes.

Les résultats montrent que les excitons, des quasi-particules qui transportent l'énergie, durent suffisamment longtemps pour un large éventail d'applications potentielles, y compris en tant que bits dans les dispositifs informatiques quantiques.

Le Dr Anton Malko, professeur de physique à l'École des sciences naturelles et des mathématiques, est l'auteur correspondant d'un article publié en ligne le 30 mars dans Advanced Materials qui décrit des tests sur des semi-conducteurs ultrafins réalisés avec une méthode récemment développée appelée technique de synthèse assistée par laser (LAST). Les résultats montrent une nouvelle physique quantique à l'œuvre.

Les semi-conducteurs sont une classe de solides cristallins dont la conductivité électrique se situe entre celle d'un conducteur et celle d'un isolant. Cette conductivité peut être contrôlée de l'extérieur, soit par dopage, soit par déclenchement électrique, ce qui en fait des éléments clés pour les diodes et les transistors qui sous-tendent toute la technologie électronique moderne.

Les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels (TMD) sont un nouveau type de semi-conducteur ultra-mince composé d'un métal de transition et d'un élément chalcogène disposés dans une couche atomique. Alors que les TMD sont explorés depuis une dizaine d'années, la forme 2D examinée par Malko présente des avantages en termes d'évolutivité et de propriétés optoélectroniques.

"LAST est une méthode très pure. Vous prenez du molybdène ou du tungstène pur et du sélénium ou du soufre pur, et vous les évaporez sous une lumière laser intense", a déclaré Malko. "Ces atomes sont répartis sur un substrat et donnent à la couche TMD bidimensionnelle une épaisseur inférieure à 1 nanomètre."

Les propriétés optiques d'un matériau sont en partie déterminées par le comportement des excitons, qui sont des quasi-particules capables de transporter de l'énergie tout en restant électriquement neutres.

"Lorsqu'un semi-conducteur absorbe un photon, il crée dans le semi-conducteur un électron chargé négativement couplé à un trou positif, pour maintenir la charge neutre. Cette paire est l'exciton. Les deux parties ne sont pas complètement libres l'une de l'autre - elles ont toujours un Coulomb interaction entre eux », a déclaré Malko.

Malko et son équipe ont été surpris de découvrir que les excitons des TMD produits par LAST duraient jusqu'à 100 fois plus longtemps que ceux des autres matériaux TMD.

"Nous avons rapidement constaté que, d'un point de vue optique, ces échantillons 2D se comportent totalement différemment de tous ceux que nous avons vus en 10 ans de travail avec des TMD", a-t-il déclaré. "Lorsque nous avons commencé à l'examiner plus en profondeur, nous avons réalisé que ce n'était pas un hasard ; c'est reproductible et dépendant des conditions de croissance."

Selon Malko, ces durées de vie plus longues sont causées par des excitons indirects, qui sont optiquement inactifs.

"Ces excitons sont utilisés comme une sorte de réservoir pour alimenter lentement les excitons optiquement actifs", a-t-il déclaré.

L'auteur principal de l'étude, le Dr Navendu Mondal, un ancien chercheur postdoctoral de l'UT Dallas qui est maintenant boursier individuel Marie Skłodowska-Curie à l'Imperial College de Londres, a déclaré qu'il pensait que les excitons indirects existaient en raison de la quantité anormale de déformation entre le matériau TMD monocouche et le substrat sur lequel il pousse.

"Le contrôle de la contrainte dans une monocouche atomiquement mince de TMD est un outil important pour adapter leurs propriétés optoélectroniques", a déclaré Mondal. "Leur structure de bande électronique est très sensible aux déformations structurelles. Sous une contrainte suffisante, les modifications de la bande interdite provoquent la formation de divers excitons" sombres "indirects qui sont optiquement inactifs. Grâce à cette découverte, nous révélons comment la présence de ces excitons sombres cachés influence ces excitons créés directement par les photons."

Malko a déclaré que la contrainte intégrée dans les TMD 2D est comparable à ce qui serait induit en appuyant sur le matériau avec des piliers micro ou nanométriques placés à l'extérieur, bien que ce ne soit pas une option technologique viable pour des couches aussi minces.

"Cette souche est cruciale pour créer ces excitons indirects optiquement inactifs", a-t-il déclaré. "Si vous retirez le substrat, la contrainte est relâchée et cette merveilleuse réponse optique disparaît."

Malko a déclaré que les excitons indirects peuvent être à la fois contrôlés électroniquement et convertis en photons, ouvrant la voie au développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques.

"Cette durée de vie accrue a des applications potentielles très intéressantes", a-t-il déclaré. "Lorsqu'un exciton a une durée de vie d'environ 100 picosecondes ou moins, il n'y a pas le temps de l'utiliser. Mais dans ce matériau, nous pouvons créer un réservoir d'excitons inactifs qui vivent beaucoup plus longtemps - quelques nanosecondes au lieu de centaines de picosecondes. Vous pouvez faire beaucoup avec ça."

Malko a déclaré que les résultats de la recherche constituaient une preuve de concept importante pour les futurs dispositifs à l'échelle quantique.

"C'est la première fois que nous savons que quelqu'un a fait cette observation fondamentale d'excitations aussi longues dans les matériaux TMD - assez longtemps pour être utilisables comme bit quantique - tout comme un électron dans un transistor ou même juste pour récolter de la lumière dans un cellule solaire », a-t-il déclaré. "Rien dans la littérature ne peut expliquer ces durées de vie super longues des excitons, mais nous comprenons maintenant pourquoi ils ont ces caractéristiques."

Les chercheurs essaieront ensuite de manipuler les excitons avec un champ électrique, ce qui est une étape clé vers la création d'éléments logiques au niveau quantique.

"Les semi-conducteurs classiques ont déjà été miniaturisés jusqu'au seuil de la porte avant que les effets quantiques ne changent complètement le jeu", a déclaré Malko. "Si vous pouvez appliquer une tension de grille et montrer que les matériaux 2D TMD fonctionneront pour les futurs appareils électroniques, c'est un pas énorme. La monocouche atomique dans le matériau 2D TMD est 10 fois plus petite que la taille limite avec le silicium. Mais pouvez-vous créer des éléments logiques à cette taille ? C'est ce que nous devons découvrir. + Explorer plus loin

Semi-conducteurs atomiquement minces pour la nanophotonique