Les semi-conducteurs atomiquement minces tels que le disulfure de molybdène et le disulfure de tungstène sont des matériaux prometteurs pour les dispositifs photoniques à l'échelle nanométrique. Ces semi-conducteurs approximativement 2D supportent ce que l'on appelle des excitons, qui sont des paires électron-trou liées, qui peuvent s'aligner verticalement le long du plan mince des matériaux.

Les excitons sont des paires électron-trou liées qui peuvent interagir avec des charges électriques, des spins et des phonons. Cette gamme d'interactions indique que les excitons pourraient annoncer une nouvelle vague de dispositifs basés sur la photonique et l'optoélectronique à l'échelle nanométrique.

Pour son doctorat. thèse, Rasmus Godiksen a étudié le comportement des excitons dans les semi-conducteurs atomiquement minces, en se concentrant sur la lumière émise, en explorant le potentiel des excitons dans les semi-conducteurs ultra-minces tels que le disulfure de molybdène (MoS₂ ) et disulfure de tungstène (WS₂ ). Les semi-conducteurs sont si fins qu'ils peuvent être assimilés à des matériaux 2D. Donc, en effet, Godiksen a étudié les excitons dans les matériaux 2D.

Sensibilité

Tout d'abord, Godiksen et ses collaborateurs ont montré que les excitons 2D sont très sensibles à leur environnement nanoscopique. À l'aide de techniques d'imagerie par photoluminescence (PL), ils ont mesuré les fluctuations de fluorescence dues au transfert de charge vers le semi-conducteur. De telles fluctuations sont spatialement corrélées sur des dizaines de micromètres dans WS₂ monocouches sur films métalliques.

En raison des fluctuations de charge des états de piège (qui sont des états qui piègent les porteurs excités tels que les électrons, les trous et les excitons), ils suivent les statistiques de loi de puissance avec des changements simultanés d'intensité d'émission, de durée de vie et de rapports exciton-trion. Les statistiques de la loi de puissance sont un indicateur du piégeage et du dépiégeage des excitons, ce qui fournit des preuves des états piégés.

Degré de liberté vallée

Excitons dans WS₂ ont également un degré de liberté en ce qui concerne les vallées, qui couple la polarisation de spin à la direction de l'impulsion. Les vallées dans la structure de la bande peuvent être explorées en utilisant une lumière polarisée circulairement. Exciter ou détecter un exciton dans une vallée peut être utilisé dans les technologies de l'information, par exemple.

Expliquer le contraste de polarisation des vallées de spin dans quelques couches de WS₂ et diséléniure de tungstène (WSe₂ ), Godiksen a utilisé des mesures PL polarisées circulairement dépendantes de la couche et de la température. Cela reliait leurs polarisations contrastées à un élan différent de leurs minima de bande de conduction.

La dynamique globale des vallées de spin est régie par les durées de vie des excitons et des vallées. L'émission polarisée vallée est déterminée par des durées de vie concurrentes - la durée de vie de l'exciton et la durée de vie vallée. En diminuant la durée de vie de l'exciton, il est possible d'augmenter l'émission polarisée vallée. En effet, les excitons se recombinent et émettent de la lumière plus rapidement qu'ils ne se dispersent vers les autres vallées disponibles.

En changeant la distance d'un WS₂ bicouche à un miroir, l'amélioration de l'excitation augmente l'annihilation exciton-exciton, ce qui entraîne une polarisation plus élevée.

Nanorésonateurs de silicium

Enfin, Godiksen a étudié l'utilisation de nanoantennes en silicium pour améliorer encore l'interaction de la lumière polarisée circulairement avec les excitons à polarisation vallée. Il a montré que les nanodisques de silicium cristallin préservent la polarisation circulaire de la lumière dans le champ proche, comme requis pour une amélioration supplémentaire de l'émission polarisée par la vallée.

Les résultats de Godiksen font progresser la compréhension des interactions des excitons avec les charges, les spins et les photons, avec des implications pour une gamme de dispositifs nanophotoniques utilisant des semi-conducteurs atomiquement minces.

Les sources à photon unique sont intéressantes pour l'informatique quantique, les capteurs moléculaires pourraient augmenter la sensibilité jusqu'au niveau de la molécule unique et les dispositifs valleytronic pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération de dispositifs électroniques basés sur la polarisation vallée. + Explorer plus loin

Une nouvelle découverte donne un coup de pouce à valleytronics