Les hétérostructures formées par différents semi-conducteurs tridimensionnels constituent la base des dispositifs électroniques et photoniques modernes. Maintenant, Des scientifiques de l'Université de Washington ont réussi à combiner deux semi-conducteurs ultrafins différents, chacun d'une seule couche d'atomes d'une épaisseur d'environ 100, 000 fois plus mince qu'un cheveu humain - pour créer une nouvelle hétérostructure bidimensionnelle avec des utilisations potentielles dans l'énergie propre et l'électronique optiquement active. L'équipe, dirigé par le professeur agrégé émérite de Boeing Xiaodong Xu, a annoncé ses conclusions dans un article publié le 12 février dans la revue Science .

L'auteur principal Xu et les auteurs principaux Kyle Seyler et Pasqual Rivera, tous deux doctorants au département de physique de l'UW, synthétisé et étudié les propriétés optiques de ce nouveau type de sandwich semi-conducteur.

"Ce que nous voyons ici est distinct des hétérostructures faites de semi-conducteurs 3-D, " dit Xu, qui a des nominations conjointes au Département de physique et au Département de science et génie des matériaux. "Nous avons créé un système pour étudier les propriétés spéciales de ces couches atomiquement minces et leur potentiel pour répondre à des questions fondamentales sur la physique et développer de nouvelles technologies électroniques et photoniques."

Lorsque les semi-conducteurs absorbent la lumière, des paires de charges positives et négatives peuvent se former et se lier ensemble pour créer des excitons. Les scientifiques étudient depuis longtemps le comportement de ces excitons, mais quand ils sont réduits à la limite 2-D dans ces matériaux atomiquement minces, des interactions surprenantes peuvent se produire.

Alors que les semi-conducteurs traditionnels manipulent le flux de charge électronique, ce dispositif permet de conserver les excitons dans les "vallées, " un concept de la mécanique quantique similaire au spin des électrons. Il s'agit d'une étape critique dans le développement de nouvelles technologies à l'échelle nanométrique qui intègrent la lumière à l'électronique.

"On savait déjà que ces semi-conducteurs 2D ultrafins ont ces propriétés uniques que vous ne pouvez pas trouver dans d'autres arrangements 2D ou 3D, " dit Xu. " Mais comme nous le montrons ici, lorsque nous rassemblons ces deux couches, l'une au-dessus de l'autre, l'interface entre ces feuilles devient le siège de propriétés physiques encore plus nouvelles, que vous ne voyez pas dans chaque couche seule ou dans la version 3D."

Xu et son équipe voulaient créer et explorer les propriétés d'une hétérostructure semi-conductrice 2-D composée de deux couches de matériau différentes, une extension naturelle de leurs études antérieures sur les jonctions atomiquement minces, ainsi que des lasers nanométriques basés sur des couches atomiquement minces de semi-conducteurs. En étudiant comment la lumière laser interagit avec cette hétérostructure, ils ont recueilli des informations sur les propriétés physiques à l'interface atomiquement pointue.

"De nombreux groupes ont étudié les propriétés optiques de feuilles simples 2-D, " a déclaré Seyler. " Ce que nous faisons ici, c'est empiler soigneusement un matériau sur un autre, et ensuite étudier les nouvelles propriétés qui apparaissent à l'interface."

L'équipe a obtenu deux types de cristaux semi-conducteurs, le diséléniure de tungstène (WSe2) et le diséléniure de molybdène (MoSe2), des collaborateurs du Laboratoire national d'Oak Ridge. Ils ont utilisé des installations développées en interne pour disposer avec précision deux couches, un dérivé de chaque cristal, un processus qui a pris quelques années pour se développer pleinement.

"Mais maintenant que nous savons comment le faire correctement, nous pouvons en fabriquer de nouveaux en une ou deux semaines, " dit Xu.

Faire en sorte que ces appareils émettent de la lumière a posé un défi unique, en raison des propriétés des électrons dans chaque couche.

"Une fois que vous avez ces deux feuilles de matériel, une question essentielle est de savoir comment positionner les deux couches ensemble, " a déclaré Seyler. Les électrons de chaque couche ont des propriétés de spin et de vallée uniques, et "la façon dont vous les positionnez - leur angle de torsion - affecte la façon dont ils interagissent avec la lumière".

En alignant les réseaux cristallins, les auteurs ont pu exciter l'hétérostructure avec un laser et créer des excitons optiquement actifs entre les deux couches.

"Ces excitons à l'interface peuvent stocker des informations de vallée pour des ordres de grandeur plus longs que l'une ou l'autre des couches seules, " a déclaré Rivera. " Cette longue durée de vie permet des effets fascinants qui peuvent conduire à d'autres applications optiques et électroniques avec une fonctionnalité de vallée. "

Maintenant qu'ils peuvent fabriquer efficacement une hétérostructure semi-conductrice à partir de matériaux 2D, Xu et son équipe aimeraient explorer un certain nombre de propriétés physiques fascinantes, y compris la façon dont le comportement des excitons varie à mesure qu'ils changent d'angle entre les couches, les propriétés quantiques excitons entre les couches et l'émission de lumière électrique.

« Il y a toute une industrie qui veut utiliser ces semi-conducteurs 2D pour fabriquer de nouveaux appareils électroniques et photoniques, " a déclaré Xu. " Nous essayons donc d'étudier les propriétés fondamentales de ces nouvelles hétérostructures pour des choses comme la technologie laser efficace, diodes électroluminescentes et dispositifs de collecte de lumière. Ces derniers seront, espérons-le, utiles pour les applications d'énergie propre et de technologie de l'information. C'est assez excitant mais il y a beaucoup de travail à faire."