Dévoilement des principes de génération de particules chargées « trion » dans un semi-conducteur 2D

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Les semi-conducteurs bidimensionnels, présentés comme la prochaine génération de la technologie des semi-conducteurs, se caractérisent par leur épaisseur de couche atomique unique. En raison de leur structure ultra fine, les semi-conducteurs bidimensionnels présentent des propriétés optiques remarquables et offrent une flexibilité, ainsi qu'une excellente capacité d'intégration avec d'autres matériaux, pour une large gamme d'applications. Tirant parti de ces attributs, ils sont appliqués dans divers domaines tels que les dispositifs flexibles avancés, les dispositifs nanophotoniques et les cellules solaires. Un aspect clé des caractéristiques optiques des semi-conducteurs bidimensionnels est la présence d’excitons, qui sont des paires électron-trou. L'exploitation de la génération et de la recombinaison de ces excitons ouvre des perspectives pour le développement de dispositifs électroluminescents et de diverses applications optiques et électroniques. Un autre phénomène optique important concerne le contrôle précis des trions, qui sont des excitons chargés. La manipulation des trions offre de nombreuses fonctionnalités pour les applications des appareils.

Recherche collaborative impliquant le professeur Kyoung-Duck Park et Mingu Kang, doctorant, du Département de physique de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH), le professeur Yung Doug Suh du Département de chimie de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan ( UNIST), qui est également directeur adjoint du Centre IBS pour les matériaux carbonés multidimensionnels, et le professeur Hyun Seok Lee du Département de physique de l'Université nationale de Chungbuk ont ​​développé un système de spectroscopie de cavité à pointe améliorée avec une structure de nanofils d'or. Ce système manipule dynamiquement l'interconversion des excitons et des trions, permettant un contrôle et une étude à l'échelle nanométrique de leurs propriétés d'émission. L’approche a permis aux chercheurs de découvrir avec succès le mécanisme de génération des trions.

L'intégration de métaux et de semi-conducteurs peut conduire au développement de dispositifs optoélectroniques multifonctionnels possédant des propriétés optiques et électriques uniques. L'équipe de recherche a fabriqué une structure hybride de nanofils d'or avec une monocouche de semi-conducteur bidimensionnel, le diséléniure de molybdène (MoSe2). Ils ont également construit un système de spectroscopie de cavité améliorée par pointe, en intégrant la structure hybride à la nano-spectroscopie améliorée par pointe.

L’éclairage laser de la structure de nanofils d’or bien conçue induit la formation d’ondes stationnaires de plasmons à la surface. Initialement, il était prévu d'induire la conversion des excitons en trions dans le semi-conducteur bidimensionnel, mais il s'est avéré que le mode multipolaire contribuait au processus de conversion. Le système de spectroscopie à cavité améliorée par la pointe facilite l'étude des propriétés optiques des excitons et des trions à l'échelle nanométrique en atteignant une résolution spatiale d'environ 10 nm, qui dépasse les limites de diffraction optique. Ce système peut révéler les principes sous-jacents de la génération de trions et permettre la manipulation dynamique de l'interconversion exciton-trion de manière réversible.

De plus, la pointe en or contrôlée dynamiquement, qui concentre la lumière dans une région à l’échelle nanométrique, génère des électrons chauds à haute énergie. Ces électrons peuvent être injectés dans le semi-conducteur bidimensionnel, affectant ainsi la génération de trions. Cette approche a non seulement conduit au développement d’outils de mesure de haute précision permettant la manipulation de matériaux à ultra haute résolution, mais a également incité les chercheurs à proposer une nouvelle plateforme pour le contrôle des excitons et des trions dans les semi-conducteurs à l’échelle nanométrique.

Mingu Kang, l'auteur principal de la recherche, a fait remarquer : « Nous avons démontré avec succès la manipulation à l'échelle nanométrique des excitons et des trions et révélons les principes régissant l'interaction entre les quasiparticules excitoniques, les plasmons et les électrons chauds. » Il a ajouté : « Cette avancée pourrait ouvrir de nouvelles voies pour les applications de dispositifs optoélectroniques utilisant des excitons et des trions tels que les cellules solaires et les circuits intégrés photoélectriques. »

Su Jin Kim du Département de physique de l'Université nationale de Chungbuk, ainsi que Huitae Joo, Yeonjeong Koo et Hyeongwoo Lee, doctorants intégrés au POSTECH, ont contribué à la recherche. La recherche, récemment publiée dans la revue internationale Lettres nanoa été parrainé par la Fondation nationale de recherche de Corée, le ministère des Sciences et des TIC, l'Institut de recherche en électronique et télécommunications, le programme d'incubation des technologies du futur de Samsung, l'Agence de promotion des commercialisations pour les résultats de la R&D, l'Institut coréen de recherche en technologie chimique, l'UNIST. , et l'Institut des sciences fondamentales (IBS).

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