Lichtemittierende Heterostrukturen mit Übergangsmetall-Dichalkogeniden

Stell dir ein Sandwich vor, aber statt Brot hast du Schichten von speziellen Materialien, die coole Sachen mit Licht und Elektrizität machen können. Diese geschichteten Materialien heissen van der Waals-Heterostrukturen, und Wissenschaftler finden die mega spannend, weil sie einzigartige Eigenschaften haben, die man in Gadgets wie Smartphones und anderen Geräten benutzen kann. Heute quatschen wir über eine spezielle Art dieser Materialien, die Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs) genannt werden.

#Was sind TMDs?

TMDs sind wie ein Superhelden-Team von Materialien, von denen jedes seine eigene Spezialkraft hat. Einige von ihnen können Licht emittieren, wenn man sie anregt, und das macht sie echt cool für optoelektronische Anwendungen. Es gibt unterschiedliche Arten von TMDs, und man kann sie in zwei Kategorien einteilen: helle und dunklere.

• Helle TMDs wie MoSe und MoTe sind bereit zu strahlen, weil sie einen optisch aktiven Zustand haben, der leicht Licht abgibt.
• Dunklere TMDs wie WS und WSe sind dagegen ein bisschen schüchterner. Die haben Exzitonen, die nicht so leicht Licht emittieren, aber sie können eine Menge verschiedener lichtemittierender Komplexe bilden, wenn's heiss wird.

#Was wir gemacht haben

Wir haben uns entschieden, einen genaueren Blick auf eine spezielle Art von lichtemittierender Struktur aus einer WSe2-Monolage zu werfen. Denk dran, das ist der Star unserer Show! Wir haben ein paar Schichten HBN (kurz für hexagonales Bornitrid) hinzugefügt, um eine gemütliche Umgebung für unser WSe2 zu schaffen. Ausserdem haben wir es zwischen ein paar Graphen-Schichten eingekuschelt, die wie das Brot unseres Sandwichs wirken.

Um herauszufinden, wie gut unsere Anordnung funktioniert, haben wir Experimente mit zwei Tricks durchgeführt: Photolumineszenz (PL) und Elektrolumineszenz (EL). PL ist, wenn wir einen Laser auf unser Sample scheinen und schauen, welches Licht es abgibt. EL ist wie eine Glühbirne anzuschalten, indem man Strom durch das Material schickt. Wir haben diese Experimente bei echt niedrigen Temperaturen von 5 K gemacht, um unsere Materialien ruhig und gelassen zu halten.

#Was wir gefunden haben

Als wir eine Bias-Spannung angelegt haben (denk daran, das ist wie unseren Materialien einen kleinen Schubs zu geben), haben wir etwas Interessantes bemerkt. Die Zahl der freien Ladungsträger, die wie energiegeladene kleine Teilchen sind, die helfen können, Licht zu erzeugen, hat sich sowohl in Menge als auch in Typ verändert. Das hat dazu geführt, dass verschiedene excitonische Komplexe in unseren PL-Spektren auftauchten.

Apropos auftauchen, wir haben auch das EL-Signal entdeckt, das war wie Feuerwerke, die den Himmel erleuchten. Die PL- und EL-Mechanismen verhielten sich anders, was uns half, eine Reihe von Emissionen in beiden Experimenten zu sehen.

#Die guten Sachen: Optische Antworten

Geschichtete Materialien wie unsere TMDs sind echt wichtig. Sie haben coole Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, auf Licht auf einzigartige Weise zu reagieren. Als wir uns die WSe2-Monolage genau angeschaut haben, konnten wir eine Vielzahl von Lichtemissionsspitzen in den PL-Spektren bei verschiedenen Bias-Spannungen identifizieren.

Wir konnten sehen, dass einige excitonische Komplexe, wie geladene Exzitonen, prominent in den PL-Spektren auftraten. Das deutete darauf hin, dass die WSe2-Monolage in einem tollen Zustand war, bereit zu strahlen und zu funkeln!

#Exzitonen und ihre Freunde

Jetzt machen wir mal Spass mit Exzitonen – die kleinen Kumpels, die unserem Material helfen, Licht auszusenden. In unserem Fall haben wir ein paar interessante excitonische Freunde beobachtet:

• Negative Biexcitonen (XX): Diese Typen waren ziemlich beliebt und dominierten die PL-Spektren, als wir keine Spannung anlegten.
• Negative Trions (T): Die gibt's in zwei Varianten: Spin-Einzel und Spin-Dreifach, und die tauchten auch auf, als wir die Spannung einschalteten.

Als wir die Spannung umschalteten, sahen wir neue Freunde auf die Szene kommen. Ein dunkler intravalley spin-verbotener Exzitont (D) zeigte sich, und wir sahen die Intensität unseres negativen Biexcitons sinken.

#Die Suche nach Ladungsneutralität

Als wir positive Spannung anlegten, waren wir auf einer Mission, um den Punkt der Ladungsneutralität zu finden. Dieser Punkt ist, wo die Anzahl der positiven und negativen Ladungen in unserem Material sich ausgleicht. Wir fanden diesen süssen Spot bei etwa 1,04 V.

Sobald wir ihn gefunden hatten, bemerkten wir, dass der neutrale Biexciton wieder auftauchte. Als wir die Spannung weiter erhöhten, sahen wir, wie Exzitonen von negativ zu positiv geladen wechselten, als wir freie Löcher ins Spiel brachten.

#Die Magie der Elektrolumineszenz

Jetzt wechseln wir das Thema und reden über das EL-Signal. Als wir die Spannung auf etwa 4 V und mehr erhöhten, passierte die Magie. Das EL-Signal flackerte auf! Wir fanden heraus, dass die EL-Spektren breite Emissionsbänder zeigten und erstaunlich ähnlich wie frühere Studien aussahen.

Mit so vielen freien Trägern im Mix haben wir die Hypothese aufgestellt, dass diese Emissionen mit vielen-Körper-Komplexen verbunden sind, die aus geladenen Teilchen und ihrem begleitenden „Meer“ von freien Trägern bestehen. Das wurde echt spannend!

#Spannung und Strom: Eine Geschichte zweier Verhaltensweisen

Als wir die Spannung erhöhten, bemerkten wir, dass sich die Dinge für positive und negative Spannungen unterschiedlich verhielten. Die IV (Strom-Spannung)-Kurve zeigte unterschiedliche Merkmale basierend auf der Spannungszeichen. Bei positiven Spannungen sahen wir einen deutlichen Anstieg um 0,8 V im Vergleich zu einer allmählicheren Änderung bei -1 V für negative Spannungen.

Das liess uns darüber nachdenken, wie die Dicke der hBN-Barrieren das Tunneln dieser freien Träger beeinflusste. Wir stellten es uns vor wie das Trinken eines dicken Milchshakes durch einen Strohhalm; es ist anders, ob der Strohhalm dünn oder dick ist.

#Die Drei-Stufen-Tunneling-Theorie

Aus unseren Beobachtungen haben wir ein drei Schritte-Szenario entwickelt, wie Träger in unserem Gerät tunneln könnten:

1. Erster Schritt: Der Anstieg bei 0,8 V und -1 V entspricht Löchern und Elektronen, die in die WSe2-Monolage gelangen.

2. Zweiter Schritt: Als wir um 3 V herum kamen, dachten wir, dass diese Teilchen Exzitonen bildeten, die Paare aus Elektronen und Löchern sind, die Licht emittieren können.

3. Dritter Schritt: Bei etwa 4,5 V vermuteten wir, dass neue Arten auftauchten, dank der hohen Anzahl an Löchern. Das könnte zu einer kollektiven Reaktion führen, bei der Elektronen und Löcher zusammenkommen.

#Die Dinge aufheizen

Als wir eine hohe elektrische Vorspannung anlegten, bemerkten wir, dass unser Gerät heisser wurde. Du weisst ja, wie dein Körper beim Marathonläufen warm wird? Hier ist es ähnlich. Die Erwärmung des Geräts beeinflusst die Emissionsspektren und macht sie breiter – mit einer Sauna-Session hatten wir nicht gerechnet!

#Spannungsschwellen und ihre Geheimnisse

Wir waren neugierig, warum wir höhere Spannungslevels brauchten, um unser EL-Signal zu sehen. Es stellte sich heraus, dass diese Schwelle von den Materialeigenschaften und den verwendeten Kontakten abhängt. Wir fanden heraus, dass wir etwa doppelt so hohe Spannungen brauchen könnten aufgrund von Unregelmässigkeiten in unseren elektrischen Kontakten und der Dicke dieser hBN-Barrieren.

#Fazit: Eine helle Zukunft für TMDs

Zusammenfassend haben wir gelernt, dass unsere lichtemittierende Tunneling-Struktur aus WSe2 ein hochwertiges Gerät ist, das vielversprechend für zukünftige Anwendungen aussieht. Durch PL- und EL-Experimente haben wir bestätigt, dass die Mechanismen der Lichtemission unterschiedlich sind, was zu verschiedenen Ergebnissen führt, je nachdem, wie wir das Material anregen.

Wir haben erst die Oberfläche dessen angekratzt, was diese Materialien tun können, und es gibt noch viel mehr zu entdecken. Diese Reise wird wie das Schälen einer Zwiebel sein – Schicht für Schicht, jede enthüllt etwas Neues. Wir können es kaum erwarten zu sehen, welche faszinierenden Entdeckungen in der Welt der TMDs und ihrer Anwendungen in der Technik, die wir lieben, noch auf uns warten.