Avancées dans les excitons d'interface à partir de matériaux à dimensions mixtes

L'étude des matériaux à une échelle très petite a mené à des découvertes super excitantes, surtout avec un groupe de matériaux appelés matériaux van der Waals (vdW). Ça inclut des couches minces comme le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs). En empilant ces matériaux, les scientifiques peuvent créer de nouvelles structures qui affichent des propriétés uniques qu'on ne trouve pas dans les couches individuelles.

Une de ces structures implique de mélanger des matériaux bidimensionnels (2D), comme le diséléniure de tungstène (WSe₂), avec des matériaux unidimensionnels (1D), comme les Nanotubes de carbone (CNTs). Cette combinaison crée de nouveaux types d'excitons, qui sont des paires d'électrons et de trous qui peuvent se former quand la lumière interagit avec ces matériaux. Les interactions aux interfaces de ces différentes dimensions peuvent donner lieu à des propriétés optiques intéressantes.

#Contexte sur les matériaux van der Waals

Les matériaux van der Waals ont ouvert la voie à des façons innovantes de créer des structures artificielles. Contrairement aux matériaux traditionnels, ceux-ci peuvent être empilés sans avoir besoin d'ajuster leurs tailles ou formes. Cette flexibilité permet aux scientifiques de mélanger les matériaux de nouvelles manières, ce qui donne des propriétés distinctes de celles des composants séparés.

Par exemple, le graphène en bilayer tordu peut afficher des comportements inhabituels comme des états isolants et la superconductivité. De même, empiler deux TMDs peut donner lieu à des excitons intercalaires, où l'électron et le trou sont séparés dans différentes couches. Ces excitons intercalaires ont des caractéristiques distinctes, avec des durées de vie plus longues et des longueurs de diffusion plus grandes, par rapport aux excitons trouvés dans des matériaux traditionnels à une seule couche.

La plupart des hétérostructures vdW existantes impliquent des matériaux 2D qui ont des propriétés similaires. Cependant, en incorporant des matériaux de dimension inférieure comme les CNTs, les chercheurs peuvent créer de nouveaux états d'excitons qui émergent en raison des différences de dimensionalité. Les CNTs, étant unidimensionnels, offrent de nouvelles opportunités pour découvrir des comportements d'excitons uniques.

#L'étude des hétérostructures

Des découvertes récentes rapportent l'observation de nouveaux pics excitoniques dans une hétérostructure CNT/WSe₂ à température ambiante. Ces pics apparaissent à l'interface entre les CNTs et le WSe₂ et ont des énergies qui tombent en-dessous de celles des états excitoniques principaux des CNTs. Les caractéristiques de ces pics sont liées à la chiralité des CNTs et au nombre de couches de WSe₂ présentes.

En examinant l'Alignement des bandes-comment les niveaux d'énergie des différents matériaux s'alignent-ces nouveaux pics peuvent être attribués aux excitons d'interface. Les propriétés distinctes de ces excitons peuvent être vues à travers leur émission brillante à température ambiante, indiquant qu'ils sont stables et fortement confinés.

#Mesures optiques et résultats

Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé la spectroscopie de Photoluminescence (PL) pour observer les excitons. Les mesures de PL révèlent l'interaction entre les CNTs et le WSe₂. Avant le transfert de la couche de WSe₂, les CNTs affichaient un pic excitonique spécifique. Une fois le WSe₂ posé sur les CNTs, le pic a changé et de nouveaux pics sont apparus, suggérant la présence d'états excitoniques supplémentaires à l'interface.

En ajustant l'énergie d'excitation, les chercheurs pouvaient voir les changements dans le spectre de PL. Après une période de stabilisation, deux pics principaux sont apparus, identifiés comme des excitons d'interface. Les caractéristiques de ces pics, y compris leur réponse à différentes puissances d'excitation, indiquaient qu'ils étaient en effet distincts des excitons principaux des CNTs.

#Alignement des bandes et ses effets

Les propriétés des excitons d'interface dépendent fortement de l'alignement des bandes entre les CNTs et le WSe₂. Les chercheurs ont varié systématiquement la chiralité des CNTs et le nombre de couches de WSe₂ pour voir comment ces changements affectaient les pics excitoniques.

Une chiralité accrue dans les CNTs correspond à des gaps plus larges, favorisant un alignement de type II. Cet alignement est essentiel pour l'émergence des excitons d'interface. À mesure que le gap diminuait, le nombre de pics excitoniques observables diminuait également, suggérant une transition d'un alignement de type II à un alignement de type I.

Pour le WSe₂, le nombre de couches joue aussi un rôle, mais pas aussi significatif que la chiralité des CNTs. Dans une expérience, un WSe₂ en trilayer a montré des excitons d'interface observables, tandis qu'un en simple couche ne l'a pas fait. Les changements dans le nombre de couches peuvent subtilement affecter les états excitoniques mais n'étaient pas aussi prononcés que les effets observés avec les variations de chiralité des CNTs.

#Propriétés optiques des excitons d'interface

Les excitons d'interface ont montré des caractéristiques remarquables différentes de celles des excitons principaux dans les CNTs. Une observation clé était le haut degré de polarisation linéaire dans leur émission, indiquant un fort confinement au canal 1D des CNTs.

Des mesures de PL résolues dans le temps ont été réalisées pour étudier les durées de vie des excitons. Contrairement à la dégradation rapide des excitons principaux dans les CNTs, les excitons d'interface ont affiché des durées de vie plus longues, en accord avec leur nature indirecte spatiale. De plus, l'intensité des excitons d'interface était nettement brillante même à de faibles puissances d'excitation, un résultat surprenant pour des mesures à température ambiante.

L'intensité d'émission a exhibé une tendance unique en réponse aux changements de la puissance d'excitation. Les excitons d'interface atteignaient la saturation à des niveaux de puissance plus bas comparés aux excitons E₁₁. Ce comportement suggère que les excitons d'interface montrent une meilleure localisation, permettant potentiellement de les utiliser comme sources efficaces de photons uniques.

#Émission de photons uniques à température ambiante

Pour confirmer la nature quantique de ces excitons d'interface, des mesures de corrélation de photons ont été réalisées. Les résultats ont montré un comportement distinct d'antibunching, indiquant une émission de photons uniques à température ambiante. Ce comportement est particulièrement important car il met en avant le potentiel d'utilisation de ces excitons dans les technologies quantiques.

Les statistiques de corrélation du deuxième ordre mesurées ont confirmé la présence d'une émission de photons uniques des excitons d'interface. En revanche, les excitons principaux dans les CNTs n'ont pas affiché de comportements similaires, confirmant les caractéristiques uniques des excitons d'interface.

#Origines potentielles des excitons d'interface

L'environnement local des excitons d'interface peut contribuer à leurs propriétés. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que des défauts au sein du WSe₂ pourraient créer un puits potentiel, piégeant les excitons d'interface. Bien que les défauts soient généralement indésirables, ils pourraient jouer un rôle dans la stabilisation des excitons dans cette structure à dimensions mixtes.

De plus, la contrainte dans les matériaux pourrait aussi affecter la localisation des excitons. Les variations de contrainte peuvent influencer les propriétés électroniques des matériaux, ce qui pourrait améliorer le confinement des excitons, les rendant plus stables et moins susceptibles de se dégrader.

#Conclusion

La découverte des excitons d'interface à température ambiante dans des hétérostructures à dimensions mixtes ouvre de nouvelles possibilités pour des applications en optoélectronique et en informatique quantique. En manipulant les propriétés des matériaux à travers une sélection soignée des types de couches et de leurs arrangements, les chercheurs peuvent concevoir des systèmes qui pourraient mener à des avancées significatives dans la technologie.

Les excitons d'interface montrent un potentiel en tant qu'émetteurs quantiques à température ambiante, opérant dans la bande des télécommunications, ce qui augmente leur potentiel pour des applications pratiques en communication et traitement de l'information. Alors que la recherche dans ce domaine continue, les possibilités d'utilisation des matériaux à dimensions mixtes dans les technologies futures semblent infinies.