Les chercheurs du Berkeley Lab ont trouvé des preuves d'états sombres excitoniques dans des monocouches de disulfure de tungstène qui pourraient expliquer les propriétés optoélectroniques inhabituelles des couches atomiques uniques de matériaux de dichalcogénure de métal de transition (TMDC).
(Phys.org) — Une équipe de chercheurs du Berkeley Lab pense avoir découvert le secret des propriétés optoélectroniques inhabituelles de couches atomiques uniques de matériaux de dichalcogénure de métal de transition (TMDC), les semi-conducteurs bidimensionnels qui sont très prometteurs pour les applications nanoélectroniques et photoniques.
En utilisant la spectroscopie d'excitation à deux photons, les chercheurs ont sondé des monocouches de disulfure de tungstène, l'un des matériaux 2D les plus prometteurs, et trouvé des preuves de l'existence d'états sombres excitoniques - des états d'énergie dans lesquels des photons uniques ne peuvent être ni absorbés ni émis. Ces excitons ont été prédits à partir de calculs ab initio par les membres de l'équipe de recherche pour avoir une séquence d'énergie inhabituelle, ainsi qu'une énergie de liaison excitonique et des bandes interdites bien plus grandes que ce que l'on soupçonnait auparavant pour les matériaux TMDC 2D.
« La découverte d'une très grande énergie de liaison excitonique et de bandes interdites et de sa nature non hygrogénique dans les matériaux semi-conducteurs 2D est importante non seulement pour comprendre l'interaction lumière-matière sans précédent résultant d'un fort effet à plusieurs corps, mais aussi pour des applications électroniques et optoélectroniques, comme les LED ultra-compactes, capteurs et transistors, " dit Xiang Zhang, directeur de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et responsable de cette étude. « Une énergie de liaison aussi importante – 0,7 eV – pourrait également potentiellement rendre les excitons à température ambiante stables pour les futurs efforts de calcul quantique. »
Zhang est titulaire de la chaire Ernest S. Kuh Endowed Chair à l'Université de Californie (UC) Berkeley, dirige le Nano-scale Science and Engineering Center de la National Science Foundation, et est membre du Kavli Energy NanoSciences Institute à Berkeley. Lui et le physicien théoricien du Berkeley Lab Steven Louie, également avec la Division des sciences des matériaux et UC Berkeley, sont les auteurs correspondants d'un article dans Nature qui décrit cette recherche. L'article s'intitule "Probing excitonic dark states in single-layer tungstène disulfure". Les co-auteurs sont Ziliang Ye, Ting Cao, Kevin O'Brien, Hanyu Zhu, Xiaobo Yin, et Yuan Wang.
Les excitons sont des paires liées d'électrons excités et de trous qui peuvent provoquer des écarts importants entre les énergies d'absorption ou d'émission de photons et les bandes interdites électroniques qui permettent aux semi-conducteurs de fonctionner dans les dispositifs. Les matériaux TMDC 2D ont généré un buzz dans l'industrie électronique car ils offrent une efficacité énergétique supérieure et transportent des densités de courant beaucoup plus élevées que le silicium. Par ailleurs, contrairement au graphène, l'autre semi-conducteur 2D très vanté, Les TMDC ont des bandes interdites finies. Cela les rend plus compatibles avec les appareils que le graphène, qui n'a pas de bande interdite naturelle. Cependant, des points d'interrogation planant sur la taille de la bande interdite et l'effet excitonique dans les TMDC 2D ont entravé leur développement.
"En révélant expérimentalement des états sombres excitoniques 2D dans une monocouche TMDC, nous avons démontré des effets intenses à plusieurs électrons dans cette classe de semi-conducteurs 2D, " dit Ziliang Ye, membre du groupe de recherche de Zhang et l'un des deux principaux auteurs du Naturepaper. "Notre découverte fournit une base pour exploiter les interactions inhabituelles entre la lumière et la matière qui résultent de forts effets excitoniques, et devrait également permettre de meilleures conceptions d'hétérostructures impliquant des monocouches TMDC."
En plus des LED et des photodétecteurs, la découverte d'états sombres excitoniques fortement liés pourrait également avoir des implications importantes pour la "valleytronique, " une nouvelle voie potentielle très prometteuse vers une nouvelle électronique et un traitement de données ultrarapide.
"Dans valleytronics, l'information est codée dans un nombre quantique d'onde qui décrit à quelle vallée du paysage énergie-impulsion appartient un porteur lorsqu'il se déplace à travers un réseau cristallin, " dit Louie. "Notre travail fournit une nouvelle compréhension et des informations sur les états photo-excités, et sur les porteuses résultantes où les informations de vallée sont codées."
Dit Ting Cao, membre du groupe de recherche de Louie et l'autre auteur principal de l'article Nature, "Les TMDC 2D devraient également être bien adaptés à la prochaine génération d'appareils flexibles et d'électronique portable."
