新興的谷電子學(xué)領(lǐng)域，利用各種光電器件中激發(fā)電子或激子的動量偏好，與制造只有原子厚的新型二維材料密切相關(guān)。本月，來自中國長沙的中南大學(xué)的一組谷電子學(xué)研究人員開發(fā)了一種這樣的二維材料，可以顯著增強(qiáng)這些令人興奮的粒子的效用。

納米研究雜志中描述了其制造的細(xì)節(jié)和對其特性的說明。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，二維材料是指只有一層原子厚的固體。這些之所以有趣，不僅是因為它們非常小，而且因為當(dāng)材料被減薄到僅這一原子層時，會出現(xiàn)新的物理特性。也許最著名的2D材料是石墨烯，它是單層碳原子，它具有一些驚人的特性，與碳在散裝(或更正式地說，“散裝晶體”)時所采用的其他形式非常不同，包括大約200倍比鋼鐵強(qiáng)。

但是還有數(shù)百種其他類型的2D材料，它們再次提供與其塊狀晶體形式截然不同的特性。一種這樣的2D材料，即過渡金屬二硫化物或TMD，在光電子學(xué)、發(fā)光和光檢測設(shè)備的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域具有特別重要的意義。所有光電器件的基礎(chǔ)是光伏效應(yīng)，即當(dāng)材料被光束擊中時產(chǎn)生的電流——例如在太陽能電池板中的光伏電池中，以及它的逆形式，即從電信號中產(chǎn)生光。

這種技術(shù)依賴于半導(dǎo)體材料。再次以光伏電池為例，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時，這種能量足以激發(fā)電子將“帶隙”從原子的價能級躍升至其傳導(dǎo)能級——這些被激發(fā)的電子或更多簡單的激子，現(xiàn)在可以在電流中自由流動。實際上，光已經(jīng)通過半導(dǎo)體的這種特殊帶隙特性轉(zhuǎn)化為電能。這種相同的帶隙特性允許晶體管(由硅等半導(dǎo)體材料制成)充當(dāng)開/關(guān)開關(guān)，用于在計算機(jī)中以1和0或“位”的形式存儲數(shù)據(jù)。

二維材料石墨烯是一種半金屬，沒有帶隙。它是導(dǎo)體，而不是半導(dǎo)體。TMD的單層(“單層”)——由過渡金屬原子(如鉬或鎢)與元素周期表上與氧(硫?qū)僭?(如硫、硒或碲)同列的原子鍵合而成——確實如此有帶隙。這使得TMD對制造晶體管和其他光電器件非常有趣。

正如材料的單層與塊狀晶體形式的相同材料具有不同的特性一樣，兩層或三層(雙層或三層)厚的二維材料可以再次具有與單層形式的相同材料不同的特性。由兩種或多種不同材料層組成的多層二維材料稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其性能將具有更大的差異。

嚴(yán)格來說，激子一詞指的是電子和它留下的空白空間或“空穴”，但它仍然被吸引并因此被束縛：電子-空穴對。因為電子帶負(fù)電荷，所以電子空穴可以說帶正電荷。結(jié)合起來，電子-空穴對或激子是電中性的“準(zhǔn)粒子”。

二維材料中的激子也有利于兩種動量狀態(tài)中的一種，這取決于激發(fā)它們的光的偏振。這些受青睞的動量通常被稱為“谷”，因為將激子從一種受青睞的動量狀態(tài)向上移動到另一種狀態(tài)需要大量能量。

這種激子谷的這種開/關(guān)二進(jìn)制性質(zhì)可能提供一種存儲位和執(zhí)行邏輯操作的新方法。研究這一現(xiàn)象的新興領(lǐng)域“谷電子學(xué)”近年來由于潛在應(yīng)用的范圍而爆炸式增長，包括令人難以置信的快速邏輯運算，也許有一天，小型室溫量子計算。

通常，激子存在于二維材料層內(nèi)——層內(nèi)激子。但也存在一種奇異的夾層激子，它存在于兩個單層之間，電子和空穴位于不同的層中。這些層間激子本身具有各種新穎和誘人的特性，包括比層內(nèi)激子顯著更長的壽命，擴(kuò)大了在長壽命激子器件中的應(yīng)用。

近年來，TMD的雙層對光電子學(xué)研究人員特別有吸引力，因為它們特別擅長承載這些層間激子。

但中南大學(xué)的研究人員認(rèn)為他們可以做得更好。

“大多數(shù)TMD激子研究都沉迷于由兩種不同的單層TMD組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，”專攻谷電子學(xué)的物理學(xué)家和工程師、該論文的通訊作者YanpingLiu說。“但我們的興趣是設(shè)計具有II型帶對齊的三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。”

與具有II型能帶排列的雙層TMD異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，三層II型能帶排列原則上提供了一系列效率改進(jìn)，層間激子應(yīng)享有更長的壽命，從而提高TMD在光電探測器等器件中的應(yīng)用潛力、發(fā)光二極管、激光器和光伏。但到目前為止，僅在雙層TMD異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到層間激子。

該團(tuán)隊能夠制造出三層TMD異質(zhì)結(jié)構(gòu)(由鉬和硫、鉬和硒、鎢和硒組成)，然后他們使用光致發(fā)光光譜對其進(jìn)行了觀察。他們證實了層間激子的存在，并描述了該現(xiàn)象的各種特性和要求。

在制造了新型TMD異質(zhì)結(jié)構(gòu)、證實了長壽命層間激子的存在以及廣泛分類的特性和要求之后，該團(tuán)隊現(xiàn)在必須更精確地研究其TMD在光電器件中的潛在應(yīng)用范圍。

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