Estructuras hetero-emisoras de luz con dicalcogenuros de metales de transición

Imagina un sándwich, pero en lugar de pan, tienes capas de materiales especiales que pueden hacer cosas increíbles con la luz y la electricidad. Estos materiales en capas se llaman heteroestructuras de van der Waals, y a los científicos les encantan porque tienen propiedades únicas que se pueden usar en gadgets como smartphones y otros dispositivos. Hoy, vamos a hablar de un tipo específico de estos materiales llamado digermanios de metales de transición (TMD).

#¿Qué Son los TMD?

Los TMD son como un equipo de superhéroes de materiales, cada uno con su propio poder especial. Algunos de ellos pueden emitir luz cuando son excitados, y eso los hace súper geniales para aplicaciones optoelectrónicas. Hay diferentes tipos de TMD, y se pueden clasificar en dos categorías: brillantes y oscuros.

• TMD Brillantes como MoSe y MoTe están listos para brillar porque tienen un estado ópticamente activo que emite luz fácilmente.
• TMD Oscuros como WS y WSe, por otro lado, son un poco más tímidos. Tienen excitones que no emiten luz tan fácilmente, pero pueden hacer un montón de complejos de emisión de luz cuando las cosas se calientan.

#Lo Que Hicimos

Decidimos echar un vistazo más de cerca a una estructura especial que emite luz hecha de una monocapa de WSe2. Piensa en ello como la estrella de nuestro espectáculo. Agregamos algunas capas de HBN (que es el nitruro de boro hexagonal) para crear un ambiente acogedor para nuestro WSe2. También lo arropamos entre algunas capas de grafeno, que actúan como el pan de nuestro sándwich.

Para averiguar qué tan bien funciona nuestra configuración, realizamos experimentos usando dos trucos: fotoluminiscencia (PL) y electroluminiscencia (EL). PL es cuando iluminamos nuestra muestra con un láser y vemos qué luz emite. Sin embargo, EL es como encender una bombilla enviando electricidad a través del material. Realizamos estos experimentos a una temperatura realmente baja de 5 K para mantener nuestros materiales tranquilos y serenos.

#Lo Que Encontramos

Cuando aplicamos un voltaje de sesgo (piensa en ello como darle un pequeño empujón a nuestros materiales), notamos algo interesante. La cantidad de portadores libres, que son como partículas energéticas que pueden ayudar a crear luz, cambió tanto en cantidad como en tipo. Esto hizo que diferentes complejos excitónicos aparecieran en nuestros espectros de PL.

Hablando de aparecer, también detectamos la señal de EL, que era como ver fuegos artificiales iluminando el cielo. Los mecanismos de PL y EL se comportaron de manera diferente, lo que nos ayudó a ver una gama de emisiones en ambos experimentos.

#Lo Bueno: Respuestas Ópticas

Los materiales en capas como nuestros TMD son un gran negocio. Tienen estas propiedades geniales que les permiten responder a la luz de maneras únicas. Cuando miramos de cerca la monocapa de WSe2, pudimos identificar una variedad de picos de emisión de luz en los espectros de PL a diferentes voltajes de sesgo.

Vimos que algunos complejos excitónicos, como excitones cargados, aparecieron de manera prominente en los espectros de PL. Esto sugirió que la monocapa de WSe2 estaba en excelente forma, ¡lista para brillar y deslumbrar!

#Excitones y Sus Amigos

Ahora vamos a divertirnos con los excitones-los pequeños amigos que ayudan a nuestro material a emitir luz. En nuestro caso, observamos algunos amigos excitónicos interesantes:

• Biexcitones Negativos (XX): Estos chicos eran bastante populares y dominaban los espectros de PL cuando no aplicábamos ningún voltaje.
• Triones Negativos (T): Vienen en dos sabores: singlete de espín y triplete de espín, y también aparecieron cuando encendimos el voltaje.

A medida que cambiamos el voltaje, vimos llegar nuevos amigos a la escena. Un Excitón oscuro intravalley prohibido por espín (D) comenzó a mostrar su cara, y vimos caer la intensidad de nuestro biexcitón negativo.

#La Búsqueda de la Neutralidad de Carga

Cuando aplicamos voltaje positivo, estábamos en una misión para encontrar el punto de neutralidad de carga. Este punto es donde el número de cargas positivas y negativas en nuestro material se equilibra. Encontramos ese punto dulce alrededor de 1.04 V.

Una vez que lo encontramos, notamos que el biexcitón neutro apareció de nuevo. A medida que aumentamos aún más el voltaje, vimos que los excitones cambiaban de negativos a positivos a medida que introducíamos agujeros libres en la mezcla.

#La Magia de la Electroluminiscencia

Ahora, cambiemos de tema y hablemos de la señal de EL. Cuando aumentamos el voltaje a aproximadamente 4 V y más, ¡sucedió la magia! La señal de EL parpadeó y cobró vida. Descubrimos que los espectros de EL mostraban bandas de emisión amplias y se veían sorprendentemente similares a estudios anteriores.

Con tantos portadores libres en la mezcla, hipotetizamos que estas emisiones estaban vinculadas a complejos de muchos cuerpos formados por partículas cargadas y su “mar” de portadores libres. ¡Esto se estaba volviendo realmente emocionante!

#Voltaje y Corriente: Un Cuento de Dos Comportamientos

A medida que aumentamos el voltaje, notamos que las cosas se comportaban de manera diferente para voltajes positivos y negativos. La curva IV (corriente-voltaje) mostró características distintas según el voltaje firmado. Para voltajes positivos, vimos un inicio aparente alrededor de 0.8 V en comparación con un cambio más gradual a -1 V para voltajes negativos.

Esto nos hizo pensar en cómo el grosor de las barreras de hBN afectaba el túnel de estos portadores libres. Lo imaginamos como beber un batido espeso a través de una pajilla; es diferente si la pajilla es delgada o gruesa.

#La Teoría de Túnel en Tres Niveles

A partir de nuestras observaciones, ideamos un escenario de tres pasos para cómo los portadores podrían estar haciendo túneles en nuestro dispositivo:

1. Primer Paso: El inicio en 0.8 V y -1 V corresponde a agujeros y electrones haciéndose camino hacia la monocapa de WSe2.

2. Segundo Paso: Cuando alcanzamos alrededor de 3 V, pensamos que estas partículas estaban formando excitones, que son pares de electrones y agujeros que pueden emitir luz.

3. Tercer Paso: A aproximadamente 4.5 V, sospechamos que emergían nuevas especies, gracias a los altos niveles de agujeros. Esto podría llevar a una respuesta colectiva de los electrones y agujeros uniéndose.

#Calentando las Cosas

A medida que aplicamos un alto sesgo eléctrico, notamos que nuestro dispositivo se estaba calentando. Sabes cómo cuando corres un maratón, tu cuerpo se calienta? Es similar aquí. El calentamiento del dispositivo afecta los espectros de emisión, haciéndolos más amplios-¡no esperábamos organizar una sesión de sauna!

#Umbrales de Voltaje y Sus Secretos

Teníamos curiosidad sobre por qué necesitábamos niveles de voltaje más altos para ver nuestra señal de EL. Resulta que este umbral depende de las propiedades del material y de los contactos utilizados. Descubrimos que podríamos necesitar voltajes alrededor de dos veces más grandes debido a imperfecciones en nuestros contactos eléctricos y el grosor de esas barreras de hBN.

#Conclusión: Un Futuro Brillante para los TMD

En resumen, hemos aprendido que nuestra estructura de túnel que emite luz hecha de WSe2 es un dispositivo de alta calidad que muestra promesas para futuras aplicaciones. A través de experimentos de PL y EL, confirmamos que los mecanismos de emisión de luz son diferentes, lo que lleva a diversos resultados según cómo excitamos el material.

Solo hemos rascado la superficie de lo que estos materiales pueden hacer, y hay mucho más por explorar. Este viaje será como pelar una cebolla-capa por capa, cada una revelando algo nuevo. No podemos esperar a ver qué fascinantes descubrimientos nos esperan en el mundo de los TMD y sus aplicaciones en la tecnología que amamos.