1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

فرصت‌ها و چالش‌های کنترل و دست‌کاری اکسایتون بین لایه‌ای

افراد مقاله : ‌ مترجم - میلاد بامدادی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : اکسایتون - نیمه هادی تاریخ مقاله : 1398/10/30 تعداد بازدید : 166

پیشرفت‌هایی که در ساختارهای ناهمگن واندروالس حاصل شده، امکان کنترل الکتریکی اکسایتون‌های بین لایه‌ای را فراهم کرده است. این پیشرفت‌ها، فرصت‌هایی مهیّج و امیدوار‌کننده پیرامون تراکم اکسایتون در دمای بالا و اپتوالکترونیک مبتنی بر پدیده‌ی دره-اسپین فراهم کرده است.

 

مقدمه

اکسایتون‌های بین لایه‌ای (یا اکسایتون‌های گاف غیر مستقیم)، الکترون‌ها و حفره‌هایی هستند که به‌وسیله‌ی برهمکنش‌های کولنی کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند، اما در دو نوع مختلف از چاه‌های کوانتومی، جدا از یکدیگر هستند. اولین مطالعات پیرامون اکسایتون‌های بین لایه‌ای در مورد مدوله کننده‌های نوری مبتنی بر اثر محدودیت کوانتومی اشتارک، در چاه‌های کوانتومی جفت شده GaAs/AlGaAs گزار ش شده است. اکسایتون‌های گاف- غیر مستقیم که عمری طولانی‌تر نسبت به اکسایتون‌های گاف- مستقیم دارند و این ویژگی را مدیون جدا بودن الکترون‌ها و حفره‌هایشان هستند، مکررا برای ایجاد تراکم اکسایتون در دماهای پایین مورد بررسی قرار گرفته‌اند. با کشف ویژگی‌های فوق‌العاده و جدید از مواد دوبعدی (2D) از قبیل گرافن و دی کالکوژن‌های فلزات واسطه (TMDها) و ساختار ناهمگن واندروالس آن‌ها (که در آن مواد دو بعدی مختلف به صورت لایه لایه کنار یکدیگر قرار می‌گیرند)، فرصت‌های نوینی برای مطالعه ی اکسایتون‌های بین لایه‌ای فراهم شده است.

چرا ساختار‌های ناهمگن واندروالس دوبعدی – به طور خاص دولایه‌هایی از نیم‌رساناهای TMD (MX2 که در آن M نشاندهنده‌ی Mo و W و X نشانگر S، Se و Te هستند) - بستر مناسبی برای مطالعه ی پدیده‌ی اکسایتون بین لایه‌ای هستند؟ TMD‌های تک‌لایه نیمه‌هادی‌های گاف- مستقیم با گاف‌های انرژی مشابه هستند که در نقاط (یا دره‌های) K و Ḱ در منطقه‌ی بریلوئن قرار دارند. اثرات اکسایتونی بسیار قدرتمند و خواص مقابله با عوامل خارجی برای دره‌های مختلف از اساسی‌ترین مشخصه‌های این گروه از مواد است. در حقیقت می‌توان این خواص را به اکسایتون‌های بین لایه‌ای بازگرداند که فیزیک اکسایتون را پربار می‌سازند و کاربرد‌های بی‌نظیر اپتوالکترونیکی که نتیجه اهمیت ارزیابی درجات آزادی اسپینی و دره‌ها در TMDها است. علاوه‌بر این در دسترس بودن خانواده بزرگی از مواد واندروالس دو بعدی که قابلیت تشکیل ساختارهای ناهمگن عمودی در تمام ترکیبات را دارا هستند فرصت بی‌نظیری در مهندسی سیم‌های کوانتومی و طراحی و پیش بینی خواص اکسایتون‌های بین لایه ایست. نهایتا ضخامت اتمی دولایه‌های TMD همراه با انعطاف‌پذیری ساختمان دستگاه‌های اثر- میدان با ساختارهای ناهمگن واندر والس فرصت خوبی را برای به کارگیری میدان‌های الکتریکی بزرگ (قابل افزایش تا حدود 1 ولت بر نانومتر) و کنترل الکتریکی اکسایتون‌های بین لایه‌ای فراهم نموده است. اکسایتون‌های بین لایه‌ای به طور تجربی در چندین دولایه TMD مشاهده شده است. اولین مشاهدات به ترکیبات MoS2/WSe2 و MoSe2/WSe2 اختصاص دارد. این مواد، تشکیل دهنده‌ی "نوع 2" دولایه‌های ناهمگن هستند که در آن‌ها لبه‌های نوار رسانش و ظرفیت در لایه‌های متفاوتی قرار دارند (شکل b1). کنترل این اکسایتون‌های بین لایه‌ای به‌وسیله‌ی میدان‌های خارجی یا دست کاری ساختاری هنوز مورد بررسی گسترده قرار نگرفته است.

 

اثر محدودیت کوانتومی اشتارک

در حضور یک میدان الکتریکی خارجی، حالات الکترونی یک سیم کوانتومی به انرژی‌های کمتر و حالات حفره‌ای به انژری‌های بالاتر شیفت می‌یابند. این میدان الکتریکی به انرژی فضایی محدود اکسایتون‌ها که به آن اثر محدودیت کوانتومی اشتارک می‌گویند وابسته است. در مطالعات اولیه پیرامون دولایه‌های MoSe2/WSe2، ریوِرا و همکارانش نشان داده‌اند که شدت و انرژی پهنای نشری همراه با اکسایتون‌های بین لایه‌ای به‌وسیله‌ی یک ورودی قابلیت تغییر دارد. اما با ورودی سیگنال، آن‌ها قادر به جداسازی اثرات میدان الکتریکی و دوپینگ الکتروستاتیک نشدند. با ظهور دستگاه‌های پیشرفته با ورودی دوگانه که قابلیت کنترل چگالی بار جریان و میدان الکتریکی را به طور مستقل دارا هستند، وانگ و همکارانش به تنظیم موثر انرژی اکسایتون بین لایه‌ای در دولایه‌‌های همگن WSe2 به‌وسیله‌ی اثر محدودیت کوانتومی اشتارک دست یافته‌اند. تصاویر b2 و c2 وابستگی میدان الکتریکی طیف لومینسانس دولایه‌ی همگن WS2 را نشان می‌دهند. میدان الکتریکی خارجی یک اختلاف پتانسیل الکتروستاتیک در دولایه‌ی همگن WSe2 ایجاد می‌کندکه در شیفت انرژی اکسایتون بین لایه‌ای ظاهر شده است (تصویر a2). در نزدیکی دوپینگ صفر (تصویر b2)، انرژی اکسایتون بین لایه‌ای با اعمال میدان خارجی در حدود 100 میلی الکترون ولت به صورت خطی دچار شیفت قرمز می‌گردد. مقدار شیفت، تنها به بزرگی میدان بستگی دارد. با دوپینگ محدود (cm-2 1.3ₓ 1012، تصویر c2)، میدان‌های الکتریکی تا مقدار بحرانی مشخص افزایش می‌یابند که برای تولید اثر خطی اشتارک مورد نیاز هستند. علت این پدیده اینست که صفحه‌ی حامل‌های آزاد میدان خارجی و باندهای انرژی تنها پس از اینکه حامل‌های آزاد به یکی از لایه‌ها منتقل می‌شوند با اعمال میدان شروع به شیفت می‌نمایند.

نتایج بسیار مشابهی برای دولایه‌های ناهمگن MoSe2/WSe2  به‌وسیله‌ی کیاروچی و همکارانش گزارش شده است (تصویر d2). تفاوت اصلی در شکل وابستگی میدان به انرژی اکسایتون بین لایه‌ای است. به دلیل حضور یک میدان الکتریکی توکار بزرگ در دولایه‌های ناهمگن، انرژی اکسایتون بین لایه‌ای زمانی که میدان اعمالی برابر با میدان توکار است شیفت قرمز و زمانی که میدان اعمالی با میدان توکار تفاوت دارد شیفت آبی پیدا می‌نماید که این پدیده باعث تولید یک شیفت اشتارک کلی در حدود 200 میلی الکترون ولت می‌گردد که در شکل d2 قابل مشاهده است. یک چنین رزونانس اکسایتون قابل تنظیمی می‌تواند برای کاربرد در نشردهنده‌ها و مدوله‌کننده‌های نور که از طریق الکتریسته قابل تنظیم هستند مناسب هستند.

اثر محدودیت کوانتومی اشتارک نه تنها به خوبی قادر به کنترل انرژی اکسایتون بین لایه‌ای است بلکه همچنین اوِرلپ توابع موج الکترون و حفره را در جهات خارج از برنامه تغییر می‌دهد که بر روی طول عمر اکسایتون بین لایه‌ای موثر است. وانگ و همکارانش تنظیم طول عمر اکسایتون بین لایه‌ای را به‌وسیله‌ی یک میدان الکتریکی خارجی در دولایه‌های همگن WSe2 با طول عمری بالاتر از 20 نانوثانیه نشان داده‌اند. طولانی‌تر نمودن طول عمر اکسایتون مرحله‌ای مهم از مراحلی است که به سوی تراکم اکسایتون در این سیستم ماده طی می‌گردد.

 

قطبیت دره و طول عمر اکسایتون بین لایه‌ای

علاوه‌بر انرژی اکسایتون بین لایه‌ای و طول عمر، ورودی الکتریکی نیز شکل وابستگی- دره را در دولایه‌های TMD تنظیم می‌نماید. همین‌طور در تک لایه‌های TMD، قطبیت دره‌ی اکسایتون بین لایه‌ای می‌تواند با استفاده از پمپ دورانی نور قطبیده در دولایه‌های TMD تولید گردد. به طور مشابه این پدیده را می‌توان به‌وسیله‌ی قطبیت پمپ در نشر اکسایتون بین لایه‌ای اثبات نمود. ریوِرا و همکارانش در مطالعه‌ی دولایه‌های ناهمگن MoSe2/WSe2 نشان داده‌اند که هم قطبیت دره اکسایتون بین لایه‌ای و هم طول عمر قطبیت را می‌توان با ورودی الکتروستاتیک تنظیم نمود. طول عمر دره‌ای به اندازه‌ی 40 نانوثانیه نشان داده شده است. با بهبود در کیفیت نمونه، در کارهای بعدی امکان اینکه دو یا چند ویژگی مشخصه را در طیف فوتولومینسانس اکسایتون بین لایه‌ای استنباط کنند به وجود آمد (دولایه‌های همگن WSe2 در شکل b2 و c2 و دولایه‌های ناهمگن MoSe2/WSe2 در شکل d2). به صورت جالب کیاروچی و همکارانش مشاهده نموده‌اند که دو نشر بین لایه‌ای اصلی برای دولایه‌‎‌های ناهمگن MoSe2/WSe2 تحت پمپاژ نور قطبیده دورانی، تقابل مارپیچی دارند، یکی با حفظ قطبیت پمپ و دیگری با معکوس نمودن قطبیت پمپ (تصویر c3). همچنین دو مشخصه، یک شیفت زیمان با علامت مخالف تحت یک میدان مغناطیسی ایستا را نشان می‌دهند. علاوه‌بر این، به دلیل اینکه شدت نشر دو انتقال، وابستگی دوپینگ متفاوتی دارند کیاروچی و همکارانش توانستند قطبیت نشر را به‌وسیله‌ی ورودی الکتروستاتیک کنترل کنند (تصاویر a3-d3). شکل چندگانه‌ی انتقالات اکسایتون بین لایه‌ای و وابستگی ورودی قطبیت دره طول عمر آن تاکنون تقریباً ناشناخته باقی‌مانده‌اند. با این وجود، یافته‌های ذکر شده پتانسیل اکسایتون بین لایه‌ایِ دولایه‌های TMD برای کاربرد در پدیده‌ی اسپین- دره در شاخه‌ی اپتوالکترونیک را تأیید می‌نمایند.

 

راه پیش رو

نمایش طول عمر بالای اکسایتون بین لایه‌ای، فرصت ایده‌آلی را برای سرد کردن اکسایتون‌ها به منظور تراکم اکسایتون در دولایه‌های TMD فراهم نمود. پیوند بسیار قوی اکسایتون در این سیستم به شعاع بور بسیار کوچک آن اشاره می‌نماید (حدود 1 نانومتر) و همچنین اشاره به امکان دستیابی به چگالی بالای اکسایتون یعنی همان تراکم در دمای بالا دارد (تئوری، دمای تراکم 100 کلوینی را برای رساندن چگالی اکسایتون به مقدار cm-2 1012 را پیش بینی می‌نماید). با این وجود مطالعه‌ی اخیر به‌وسیله‌ی وانگ و همکارانش نشان داده است که فرآیندهای آسایش غیر خطی مانند فرآیند اوژه، چگالی اکسایتون در حالت پایا را تا حدود cm-2 1011 در دولایه‌های TMD محدود می‌نماید. رویکرد نوآورانه‌ای نیاز است تا بتوان به طور همزمان هم فرآیند بازآرایی اوژه را متوقف نمود و در مقابل، برهمکنش اکسایتونی بین لایه‌ای را قدرتمند نگه داشت. به عنوان نمونه، این را می‌توان به‌وسیله‌ی جاسازی اتوماتیک سدهای نازک بین دو تک لایه‌ی TMD مورد بررسی قرار داد. چالش تراکم اکسایتون در دمای بالا در مورد دولایه‌های TMD هنوز فراروی ماست. با کنترل آزمایشگاهیِ بهتر خواص فیزیکی اکسایتون‌های بین لایه‌ای در سیستم‌های TMD، اکسایتون‌های بین لایه‌ای آینده‌ای روشن را برای تحقیقات علمی ترسیم می‌نمایند.

علاوه‌بر کنترل الکتریکی، دست‌کاری اکسایتون‌های بین لایه‌ای به‌وسیله‌ی تنظیم ساختار می‌تواند ابزار قدرتمند دیگری باشد. وقتی دو تک‌لایه‌ی TMD به طور عمودی به‌وسیله‌ی نیروی واندروالس جفت می‌شوند، همترازی نوار به‌وسیله‌ی توابع کار تک‌لایه‌ها مشخص می‌گردد یعنی برهمکنش بین لایه‌ای و همترازی برش‌های کریستالی دولایه. ساختار الکترونی دولایه‌های TMD به زاویه‌ی نسبی چرخش بین دولایه بسیار حساس است که فرصت خوبی را برای کنترل چرخشی اکسایتون‌های بین لایه‌ای و پاسخ آن‌ها به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی خارجی فراهم می‌نماید. وجود چرخش‌های نسبی کوچک بین دولایه‌ی TMD برای تولید یک الگوی موجی در فضای واقعی و شیفت مومنتوم بین ترازهای الکترون و حفره‌ی جایگرفته در لایه‌های مختلف پیش‌بینی شده است. یک چنین اثری روی قواعد انتخاب نوری برای اکسایتون‌های بین لایه‌ای از علاقمندی‌های پرارزش جاری است. انتظار می‌رود قسمت‌های مسطح باندهای موجی شکل اکسایتون باعث بهبود اثرات برهمکنش‌های اکسایتون- اکسایتون و پیرو آن اثرات نوری غیر خطی سیستم گردند. به علاوه موقعیت باندهای موجی شکل اکسایتون به همراه رسانندگی نوری بهبود یافته در لبه‌های نمونه به دلیل تشکیل حالت‌های لبه‌ی اکسایتونی کایرال، پیش‌بینی شده است. در هر حال مطالعات تجربی روی اکسایتون‌های بین لایه‌ای پیرامون دولایه‌های پیچ خورده‌ی TMD در ابتدای راه خود به سر می‌برد. در یکی از تحقیقاتی که اخیرا پیرامون دولایه‌های ناهمگن MoSe2/WSe2 با چرخش 60 درجه‌ای انجام شده است، نگلر و همکارانش فاکتور g حدود 15 را برای اکسایتون‌های بین لایه‌ای نشان داده‌اند که با عدد 4 که مربوط به یک لایه TMD است مغایرت دارد. نتایج به‌وسیله‌ی هم‌ترازی دره‌ی K در یکه لایه با دره‌ی Ḱ در لایه‌ی دیگر و کمک و پشتیبانی دره‌ی ترکیب شده با گشتاور مغناطیسی اکسایتون تشریح شده است. ما انتظار داریم پیشرفت‌های زیادی را در این موضوع در آینده مشاهده نمائیم.

پیشرفت قابل توجه دیگر در مطالعه‌ی مواد دوبعدی (d2)، کنترل خواص الکترونی و مینی باندهای موجی شکل به‌وسیله‌ی به‌کارگیری فشار است (به عنوان نمونه در ساختارهای ناهمگن گرافن- نیترید بور). در کل، به دلیل پیوند ضعیف واندروالس بین لایه‌ها در ساختار ناهمگن عمودی مواد دوبعدی، به‌کارگیری فشار، شدیداً بر روی جداسازی بین لایه‌ای و جفت شدن الکترونی موثر است و موجب شیفت مینی باندها و تغییر گافشان می‌گردد. همچنین ما انتظار داریم فشار به طور موثر اکسایتون‌های بین لایه‌ای و باندهای موجی شکل اکسایتون را در دولایه‌های موجی شکل تنظیم نماید. کنترل فشار سوپرشبکه‌ی موجی شکل و پتانسیل موجی می‌تواند به دام‌اندازی اکسایتون‌ها در کمترین پتانسیل موج کمک نماید که منجر به تشکیل آرایه‌ای از نشردهنده‌های متمرکز اکسایتون در دولایه‌های TMD می‌شود. با پیشرفت فیزیک جدید و کنترل پذیری و انعطاف پذیری بی‌سابقه‌ی مهندسی، ما باور داریم که به طور کلی ساختارهای ناهمگن واندروالس دوبعدی و به طور خاص دولایه‌های TMD، سیستم مواد بی‌نظیری را عرضه می‌کنند که به‌وسیله‌ی تحقیقات و کاربردهای مرتبط با اکسایتون بین لایه‌ای دنباله‌گیری می‌شود.

 

منبع

Nature Nanotech, 13 (2018) 974–976.