Теперь ученые из отделения фемтосекундной спектроскопии в Окинавском институте науки и технологий (OIST) пролили свет на то, как экситоны – возбужденное состояние вещества, лежащее в основе оптоэлектроники, – перемещаются и взаимодействуют внутри фосфора.
«Из-за анизотропии экситоны ведут себя в фосфорене по-настоящему уникальным образом по сравнению с другими 2D-материалами, что мы только начинаем понимать», – сказал Вивек Парик, аспирант и первый автор исследования, опубликованного в Physical Review Letters.
Экситоны образуются, когда материал поглощает фотон света, в результате чего электрон переходит в более высокое энергетическое состояние. Это оставляет положительно заряженную «дыру», где электрон обычно находился в своем начальном энергетическом состоянии, которая притягивается к отрицательно заряженному возбужденному электрону.
Образовавшаяся связанная электронно-дырочная пара – экситон – может затем перемещаться через материал и взаимодействовать с другими экситонами.
Но экситоны недолговечны, и со временем возбужденные электроны «падают» обратно в дырки.
Для этого экситоны могут либо испускать фотон – процесс, называемый излучательной рекомбинацией, – либо они могут сталкиваться друг с другом, передавая тепло материалу – безызлучательная рекомбинация, называемая аннигиляцией экситонов и экситонов.
«Экситон-экситонное взаимодействие, или аннигиляция, сильно отличается в 1D и 2D системах», – пояснил Парик. "Таким образом, мы можем использовать экситон-экситонную аннигиляцию как инструмент для исследования природы взаимодействий в квази-1D фосфорене."
Зондирование фосфора
Ученые использовали лазер, чтобы послать два световых импульса на фосфор: импульс накачки для возбуждения электронов с образованием экситонов и пробный импульс, чтобы зафиксировать, как аннигиляция экситона и экситона происходила в течение первых ста пикосекунд, что составляет триллионную долю секунды. Изменяя мощность импульса накачки, исследователи изменили начальную плотность образующихся экситонов.
Команда обнаружила, что по мере увеличения плотности экситонов аннигиляция экситон-экситон изменялась по размеру, переходя от 1D к 2D.
Исследователи показывают, что этот размерный сдвиг произошел из-за анизотропных свойств фосфорена, которые возникают из-за необычной структуры материала. Эта анизотропия заставляет экситоны двигаться быстрее в одном конкретном направлении вдоль решетки и медленнее двигаться в другом направлении.
Таким образом, при малых плотностях экситонов взаимодействие между экситонами происходит преимущественно только в одном измерении – в более благоприятном направлении. Но когда плотность экситонов увеличилась, что привело к уменьшению расстояний между экситонами, взаимодействия начали происходить в обоих измерениях.
Ученые также исследовали влияние температуры на аннигиляцию экситонов.
Когда команда охладила чешуйки фосфора, аннигиляция экситонов с экситонами сменилась двумерной на одномерную даже при высокой плотности экситонов.
«Это исследование показывает, что мы можем контролировать, происходит ли аннигиляция экситон-экситон в одном или двух измерениях, в зависимости от условий, которые мы устанавливаем», – сказал доктор. Жюльен Мадео, научный сотрудник OIST и соавтор исследования. «Это раскрывает новое интересное свойство фосфора, расширяющее его перспективы в качестве нового материала в оптоэлектронных устройствах."