Valleytronics研究人员制造出具有长寿命激子的新型二维材料

新兴的谷电子学领域，利用各种光电器件中激发电子或激子的动量偏好，与制造只有原子厚的新型二维材料密切相关。本月，来自中国长沙的中南大学的一组谷电子学研究人员开发了一种这样的二维材料，可以显着增强这些令人兴奋的粒子的效用。

纳米研究杂志中描述了其制造的细节和对其特性的说明。

在材料科学领域，二维材料是指只有一层原子厚的固体。这些之所以有趣，不仅是因为它们非常小，而且因为当材料被减薄到仅这一原子层时，会出现新的物理特性。也许最著名的2D材料是石墨烯，它是单层碳原子，它具有一些惊人的特性，与碳在散装(或更正式地说，“散装晶体”)时所采用的其他形式非常不同，包括大约200倍比钢铁强。

但是还有数百种其他类型的2D材料，它们再次提供与其块状晶体形式截然不同的特性。一种这样的2D材料，即过渡金属二硫化物或TMD，在光电子学、发光和光检测设备的科学和技术领域具有特别重要的意义。所有光电器件的基础是光伏效应，即当材料被光束击中时产生的电流——例如在太阳能电池板中的光伏电池中，以及它的逆形式，即从电信号中产生光。

这种技术依赖于半导体材料。再次以光伏电池为例，当光照射到半导体上时，这种能量足以激发电子将“带隙”从原子的价能级跃升至其传导能级——这些被激发的电子或更多简单的激子，现在可以在电流中自由流动。实际上，光已经通过半导体的这种特殊带隙特性转化为电能。这种相同的带隙特性允许晶体管(由硅等半导体材料制成)充当开/关开关，用于在计算机中以1和0或“位”的形式存储数据。

二维材料石墨烯是一种半金属，没有带隙。它是导体，而不是半导体。TMD的单层(“单层”)——由过渡金属原子(如钼或钨)与元素周期表上与氧(硫属元素)(如硫、硒或碲)同列的原子键合而成——确实如此有带隙。这使得TMD对制造晶体管和其他光电器件非常有趣。

正如材料的单层与块状晶体形式的相同材料具有不同的特性一样，两层或三层(双层或三层)厚的二维材料可以再次具有与单层形式的相同材料不同的特性。由两种或多种不同材料层组成的多层二维材料称为异质结构，其性能将具有更大的差异。

严格来说，激子一词指的是电子和它留下的空白空间或“空穴”，但它仍然被吸引并因此被束缚：电子-空穴对。因为电子带负电荷，所以电子空穴可以说带正电荷。结合起来，电子-空穴对或激子是电中性的“准粒子”。

二维材料中的激子也有利于两种动量状态中的一种，这取决于激发它们的光的偏振。这些受青睐的动量通常被称为“谷”，因为将激子从一种受青睐的动量状态向上移动到另一种状态需要大量能量。

这种激子谷的这种开/关二进制性质可能提供一种存储位和执行逻辑操作的新方法。研究这一现象的新兴领域“谷电子学”近年来由于潜在应用的范围而爆炸式增长，包括令人难以置信的快速逻辑运算，也许有一天，小型室温量子计算。

通常，激子存在于二维材料层内——层内激子。但也存在一种奇异的夹层激子，它存在于两个单层之间，电子和空穴位于不同的层中。这些层间激子本身具有各种新颖和诱人的特性，包括比层内激子显着更长的寿命，扩大了在长寿命激子器件中的应用。

近年来，TMD的双层对光电子学研究人员特别有吸引力，因为它们特别擅长承载这些层间激子。

但中南大学的研究人员认为他们可以做得更好。

“大多数TMD激子研究都沉迷于由两种不同的单层TMD组成的异质结构，”专攻谷电子学的物理学家和工程师、该论文的通讯作者YanpingLiu说。“但我们的兴趣是设计具有II型带对齐的三层异质结构。”

与具有II型能带排列的双层TMD异质结构相比，三层II型能带排列原则上提供了一系列效率改进，层间激子应享有更长的寿命，从而提高TMD在光电探测器等器件中的应用潜力、发光二极管、激光器和光伏。但到目前为止，仅在双层TMD异质结构中观察到层间激子。

该团队能够制造出三层TMD异质结构(由钼和硫、钼和硒、钨和硒组成)，然后他们使用光致发光光谱对其进行了观察。他们证实了层间激子的存在，并描述了该现象的各种特性和要求。

在制造了新型TMD异质结构、证实了长寿命层间激子的存在以及广泛分类的特性和要求之后，该团队现在必须更精确地研究其TMD在光电器件中的潜在应用范围。

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