Этот мощный метод, описанный в ведущем журнале Science, может произвести революцию в исследованиях двумерных полупроводников и экситонов с серьезными последствиями для будущих технологических устройств, от солнечных батарей и светодиодов до смартфонов и лазеров.
Экситоны – это возбужденные состояния вещества в полупроводниках – ключевой ингредиент многих современных технологий.
Они образуются, когда электроны в полупроводниковом материале возбуждаются светом до состояния с более высокой энергией, оставляя после себя «дырку» на уровне энергии, на котором ранее находился электрон.
«Дыры – это отсутствие электрона, поэтому они несут заряд, противоположный электрону», – пояснил старший автор, профессор Кешав Дани, возглавляющий отдел фемтосекундной спектроскопии в Окинавском институте науки и технологий аспирантуры (OIST). "Эти противоположные заряды притягиваются, и электроны и дырки связываются вместе, образуя экситоны, которые затем могут перемещаться по всему материалу."
В обычных полупроводниках экситоны гаснут менее чем за несколько миллиардных долей секунды после образования. Более того, они могут быть «хрупкими», что затрудняет их изучение и манипулирование. Но около десяти лет назад ученые открыли двумерные полупроводники, в которых экситоны более устойчивы.
«Прочные экситоны придают этим материалам действительно уникальные и захватывающие свойства, поэтому во всем мире было проведено множество интенсивных исследований, направленных на их использование для создания новых оптоэлектронных устройств», – сказал соавтор исследования доктор Др.
Жюльен Мадео, научный сотрудник отделения фемтосекундной спектроскопии OIST. "Но на данный момент существует серьезное ограничение стандартной экспериментальной техники, используемой для измерения экситонов."
В настоящее время исследователи используют методы оптической спектроскопии – по сути, измерения того, какие длины волн света поглощаются, отражаются или излучаются полупроводниковым материалом – для получения информации об энергетических состояниях экситонов. Но оптическая спектроскопия захватывает лишь небольшую часть картины.
Ученым давно известно, что только один тип экситона, называемый яркими экситонами, может взаимодействовать со светом.
Но существуют и другие типы экситонов, в том числе темные экситоны с запрещенным по импульсу. В этом типе темного экситона электроны имеют импульс, отличный от количества движения дырок, с которыми они связаны, что не позволяет им поглощать свет. Это также означает, что электроны в темных экситонах имеют импульс, отличный от электронов в ярких экситонах.
«Мы знаем, что они существуют, но мы не можем напрямую их видеть, мы не можем напрямую исследовать их, и поэтому мы не знаем, насколько они важны или насколько они влияют на оптоэлектронные свойства материала», – сказал доктор. Мадео.
Сияющий свет на темных экситонах
Чтобы впервые визуализировать темные экситоны, ученые модифицировали мощную технику, которая ранее в основном использовалась для изучения одиночных несвязанных электронов.
«Было неясно, как этот метод будет работать с экситонами, которые представляют собой составные частицы, в которых связаны электроны. В научном сообществе было много теоретической работы, посвященной обсуждению обоснованности этого подхода », – сказал проф.
Дэни.
Их метод предполагал, что если пучок света, содержащий фотоны достаточно высокой энергии, будет использован для удара экситонов в полупроводниковом материале, энергия фотонов разрушит экситоны и вытолкнет электроны прямо из материала.
Измеряя направление, в котором электроны вылетают из материала, ученые смогут определить начальный импульс электронов, когда они были частью экситонов. Таким образом, ученые смогут не только видеть, но и отличать яркие экситоны от темных экситонов.
Но внедрение этой новой техники потребовало решения огромных технических проблем.
Ученым нужно было генерировать световые импульсы с высокоэнергетическими ультрафиолетовыми фотонами, способными расщеплять экситоны и выталкивать электроны из материала. Затем прибор должен был иметь возможность измерять энергию и угол движения этих электронов. Кроме того, поскольку экситоны настолько недолговечны, прибор должен был работать в масштабе времени менее тысячи миллиардных долей секунды.
Наконец, прибору также требовалось достаточно высокое пространственное разрешение для измерения двумерных полупроводниковых образцов, которые обычно доступны только в микронном масштабе.
«Когда мы решили все технические проблемы и включили прибор, в основном на нашем экране были экситоны – это было действительно потрясающе», – сказал соавтор исследования доктор Др. Майкл Мэн, также из отделения фемтосекундной спектроскопии OIST.
Исследователи увидели, что, как и предполагалось, в полупроводниковом материале присутствовали как яркие, так и темные экситоны.
Но, к своему удивлению, ученые также обнаружили, что в материале преобладают темные экситоны, превосходящие по численности яркие экситоны. Команда также заметила, что при определенных условиях, когда возбужденные электроны рассеиваются по всему материалу и меняют импульс, экситоны могут переключаться между яркими и темными.
«Преобладание темных экситонов и взаимодействие между темными и яркими экситонами предполагает, что темные экситоны влияют на этот новый класс полупроводников даже сильнее, чем ожидалось», – сказал доктор.
Мадео.
Этот метод – настоящий прорыв », – заключил проф. Дэни. "Он не только обеспечивает первое наблюдение темных экситонов и проливает свет на их свойства, но и открывает новую эру в изучении экситонов и других возбужденных частиц."