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| El Laboratorio de Óptica y Espectroscopia Ultrarrápida del Dr. Anton Malko se centra en la ciencia y la ingeniería de los procesos excitónicos en diversos nanomateriales novedosos y estructuras híbridas. En un estudio reciente, Malko y otros investigadores probaron semiconductores ultrafinos fabricados con un método denominado técnica de síntesis asistida por láser. Crédito: Universidad de Texas en Dallas |
La conductividad eléctrica de los semiconductores puede controlarse externamente mediante el dopaje o la compuerta eléctrica. Esto los convierte en elementos vitales para los diodos y transistores que sustentan toda la tecnología electrónica moderna.
Por primera vez, investigadores de óptica de la Universidad de Texas en Dallas han demostrado que un nuevo método para producir semiconductores ultrafinos produce materiales con excitones que duran hasta 100 veces más que los materiales fabricados con métodos anteriores. Al durar tanto, los excitones podrían tener una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluidos los bits en dispositivos de computación cuántica.
Los TMD (dicalcogenuros bidimensionales de metales de transición) son un nuevo tipo de semiconductor ultrafino que combina un metal de transición y un elemento calcogénico en una sola capa atómica. Aunque los TMD se llevan estudiando desde hace una década o más, los investigadores descubrieron que la variante 2D posee características escalables y optoelectrónicas.
El estudio describe las pruebas realizadas con semiconductores ultrafinos fabricados con una técnica de síntesis asistida por láser (LAST) desarrollada recientemente. Muestra la novedosa física cuántica en acción.
El Dr. Anton Malko, catedrático de física de la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas, dijo: "LAST es un método muy puro. Se toma molibdeno o tungsteno puros y selenio o azufre puros y se evaporan bajo una intensa luz láser. Esos átomos se distribuyen en un sustrato, haciendo que la capa bidimensional de TMD tenga un grosor inferior a 1 nanómetro".
"Cuando un semiconductor absorbe un fotón, crea en el semiconductor un electrón con carga negativa emparejado con un agujero positivo para mantener la carga neutra. Este par es el excitón. Las dos partes no están completamente libres la una de la otra: todavía tienen una interacción de Coulomb entre ellas".
Los investigadores se sorprendieron al saber que los excitones de los TMD producidos por LAST duraban hasta 100 veces más que los de otros materiales TMD. Descubrieron que estas muestras 2D se comportan de forma diferente a todas las que hemos visto en 10 años de trabajo con TMDs.
Según Malko, "cuando empezamos a analizarlo en profundidad, nos dimos cuenta de que no es una casualidad; es repetible y depende de las condiciones de crecimiento". Estos tiempos de vida más largos están causados por excitones indirectos, que son ópticamente inactivos".
"Estos excitones se utilizan como depósito para alimentar lentamente a los excitones ópticamente activos".
El autor principal del estudio, el Dr. Navendu Mondal, antiguo investigador postdoctoral de la UT Dallas y ahora becario individual Marie Skłodowska-Curie en el Imperial College de Londres, dijo que "los excitones indirectos existen debido a la cantidad anormal de tensión entre el material TMD monocapa y el sustrato en el que crece."
"El control de la deformación en los TMD monocapa atómicamente finos es una herramienta importante para adaptar sus propiedades optoelectrónicas. Su estructura de banda electrónica es susceptible de sufrir deformaciones estructurales. Si se produce una deformación suficiente, las modificaciones de la brecha de banda provocan la formación de varios excitones indirectos "oscuros" que son ópticamente inactivos. Con este hallazgo, revelamos cómo la presencia de estos excitones oscuros ocultos influye en los excitones creados directamente por los fotones".
Según Malko, "la tensión incorporada en los TMD 2D es comparable a la que se induciría al presionar el material con pilares de tamaño micro o nano colocados externamente, aunque no es una opción tecnológica viable para capas tan finas."
"Esa tensión es crucial para crear estos excitones indirectos ópticamente inactivos. La tensión se libera si se retira el sustrato, y esta maravillosa respuesta óptica desaparece."
"Los excitones indirectos pueden controlarse electrónicamente y convertirse en fotones, lo que abre una vía para desarrollar nuevos dispositivos optoelectrónicos".
"Este aumento de la vida útil tiene interesantes aplicaciones potenciales. Cuando un excitón tiene una vida útil de sólo unos 100 picosegundos o menos, no hay tiempo para utilizarlo. Pero en este material, podemos crear una reserva de excitones inactivos que viven mucho más tiempo: unos pocos nanosegundos en lugar de cientos de picosegundos. Se pueden hacer muchas cosas con esto".
"Los resultados de la investigación son una importante prueba de concepto para futuros dispositivos a escala cuántica".
"Es la primera vez que sabemos que alguien ha hecho esta observación fundamental de excitaciones tan duraderas en los materiales TMD, lo suficientemente largas como para ser utilizables como un bit cuántico, al igual que un electrón en un transistor o incluso sólo para la recolección de luz en una célula solar. Nada en la literatura puede explicar estos tiempos de vida superlargos de los excitones, pero ahora entendemos por qué tienen estas características".
En el futuro, los investigadores planean manipular los excitones con un campo eléctrico. Esto podría conducir a una forma de crear elementos lógicos de nivel cuántico.
Según Malko, "los semiconductores clásicos ya se han miniaturizado hasta la puerta antes de que los efectos cuánticos cambien el juego por completo. Si se puede aplicar un voltaje de puerta y demostrar que los materiales TMD 2D funcionarán para los futuros dispositivos electrónicos, es un paso enorme". La monocapa atómica del material TMD 2D es 10 veces menor que el límite de tamaño del silicio. Pero, ¿se pueden crear elementos lógicos a ese tamaño? Eso es lo que tenemos que averiguar".
Fuentes, créditos y referencias:
Navendy Mondal, Nurul Azam, Yuri N. Gartstein, Masoud Mahjouri-Samani, Anton V. Malko. Photoexcitation Dynamics and Long-Lived Excitons in Strain-Engineered Transition Metal Dichalcogenides. DOI: 10.1002/adma.202110568
Fuente: Universidad de Texas en Dallas