Estruturas Heteroemissoras com Dicalcogênios de Metais de Transição

Imagina um sanduíche, mas em vez de pão, você tem camadas de materiais especiais que conseguem fazer coisas incríveis com luz e eletricidade. Esses materiais em camadas são chamados de heteroestruturas de van der Waals, e os cientistas adoram eles porque têm propriedades únicas que podem ser usadas em gadgets como smartphones e outros dispositivos. Hoje, vamos falar sobre um tipo específico desses materiais chamados dicatolâmpadas de metal de transição (TMDs).

#O Que São TMDs?

TMDs são como uma equipe de super-heróis de materiais, cada um com seu poder especial. Alguns deles podem emitir luz quando são excitados, e isso os torna super legais para aplicações optoeletrônicas. Existem diferentes tipos de TMDs, e eles podem ser classificados em duas categorias: brilhantes e escurinhos.

• TMDs Brilhantes como MoSe e MoTe estão prontos para brilhar porque têm um estado opticamente ativo que emite luz facilmente.
• TMDs Escuros como WS e WSe, por outro lado, são um pouco mais tímidos. Eles têm excítons que não emitem luz tão facilmente, mas podem formar um monte de complexos emissores de luz quando as coisas esquentam.

#O Que Fizemos

Decidimos dar uma olhada mais de perto em uma estrutura especial de emissão de luz feita de uma monocamada de WSe2. Pense nisso como a estrela do nosso show! Adicionamos algumas camadas de HBN (que é a abreviação de nitreto de boro hexagonal) para criar um ambiente confortável para o nosso WSe2. Também o colocamos entre algumas camadas de grafeno, que agem como o pão do nosso sanduíche.

Para ver como nossa configuração funcionava, fizemos experimentos usando dois truques: fotoluminescência (PL) e eletroluminescência (EL). PL é quando brilhamos um laser em nossa amostra e vemos que luz ela emite. Já a EL, é como acender uma lâmpada mandando eletricidade através do material. Realizamos esses experimentos a uma temperatura bem baixa de 5 K para deixar nossos materiais calminhos.

#O Que Encontramos

Quando aplicamos uma tensão de polarização (pense nisso como dar um empurrãozinho em nossos materiais), notamos algo interessante. O número de portadores livres, que são como partículas energéticas que ajudam a criar luz, mudou em quantidade e tipo. Isso fez diferentes complexos excíticos aparecerem em nossos espectros de PL.

Falando em aparecer, também detectamos o sinal de EL, que foi como ver fogos de artifício iluminando o céu. Os mecanismos de PL e EL se comportaram de forma diferente, o que nos ajudou a ver uma gama de emissões em ambos os experimentos.

#A Parte Boa: Respostas Ópticas

Materiais em camadas como nossos TMDs são uma grande jogada. Eles têm essas propriedades legais que permitem que eles respondam à luz de maneiras únicas. Quando olhamos de perto para a monocamada de WSe2, conseguimos identificar uma variedade de picos de emissão de luz nos espectros de PL em diferentes tensões de polarização.

Vimos que alguns complexos excíticos, como excítons carregados, apareceram de forma proeminente nos espectros de PL. Isso sugeriu que a monocamada de WSe2 estava em ótima forma, pronta para brilhar e encantar!

#Excítons e Seus Amigos

Agora vamos nos divertir com os excítons - os pequenos amigos que ajudam nosso material a emitir luz. No nosso caso, observamos alguns amigos excíticos interessantes:

• Biexcitons Negativos (XX): Esses caras eram bem populares e dominaram os espectros de PL quando não aplicamos nenhuma tensão.
• Trions Negativos (T): Eles vêm em dois sabores: spin-singlet e spin-triplet, e também apareceram quando ligamos a tensão.

À medida que mudamos a tensão, vimos novos amigos chegando ao cenário. Um excíton intravalley proibido por spin escuro (D) começou a mostrar seu rosto, e vimos a intensidade do nosso biexciton negativo cair.

#A Busca pela Neutralidade de Carga

Quando aplicamos uma tensão positiva, estávamos em uma missão para encontrar o ponto de neutralidade de carga. Esse ponto é onde o número de cargas positivas e negativas no nosso material se equilibra. Encontramos esse ponto doce em cerca de 1,04 V.

Assim que o encontramos, notamos o biexciton neutro aparecer novamente. Ao aumentarmos ainda mais a tensão, vimos os excítons mudarem de carregados negativamente para positivamente à medida que introduzimos buracos livres na mistura.

#A Magia da Eletroluminescência

Agora, vamos mudar de assunto e falar sobre o sinal de EL. Quando aumentamos a tensão para cerca de 4 V ou mais, a mágica aconteceu. O sinal de EL começou a brilhar! Descobrimos que os espectros de EL mostraram bandas de emissão amplas e pareciam surpreendentemente semelhantes a estudos anteriores.

Com tantos portadores livres na mistura, supomos que essas emissões estavam ligadas a complexos de múltiplos corpos formados por partículas carregadas e seu “mar” de portadores livres. As coisas estavam ficando realmente empolgantes!

#Tensão e Corrente: Uma História de Dois Comportamentos

À medida que aumentamos a tensão, notamos que as coisas estavam se comportando de maneira diferente para tensões positivas e negativas. A curva IV (corrente-tensão) mostrou características distintas com base na tensão. Para tensões positivas, vimos um início aparente em torno de 0,8 V em comparação a uma mudança mais gradual em -1 V para tensões negativas.

Isso nos fez pensar em como a espessura das barreiras de hBN afetava o túnel desses portadores livres. Imaginamos como se estivesse tomando um milkshake grosso através de um canudo; é diferente se o canudo é fino ou grosso.

#A Teoria do Túnel em Três Níveis

A partir de nossas observações, elaboramos um cenário em três etapas de como os portadores poderiam estar fazendo túnel em nosso dispositivo:

1. Primeira Etapa: O início em 0,8 V e -1 V corresponde a buracos e elétrons se aventurando na monocamada de WSe2.

2. Segunda Etapa: Quando chegamos a cerca de 3 V, pensamos que essas partículas estavam formando excítons, que são pares de elétrons e buracos que podem emitir luz.

3. Terceira Etapa: A aproximadamente 4,5 V, suspeitamos que novas espécies estavam surgindo, graças aos altos níveis de buracos. Isso poderia levar a uma resposta coletiva dos elétrons e buracos se unindo.

#Aquecendo as Coisas

À medida que aplicávamos uma polarização elétrica alta, notamos que nosso dispositivo estava esquentando. Sabe quando você corre uma maratona e seu corpo aquece? É algo parecido aqui. O aquecimento do dispositivo afeta os espectros de emissão, tornando-os mais amplos - não esperávamos hospedar uma sessão de sauna!

#Limiares de Tensão e Seus Segredos

Ficamos curiosos sobre por que precisávamos de níveis de tensão mais altos para ver nosso sinal de EL. Acontece que esse limiar depende das propriedades do material e dos contatos usados. Descobrimos que poderíamos precisar de tensões cerca de duas vezes maiores devido a imperfeições em nossos contatos elétricos e na espessura dessas barreiras de hBN.

#Conclusão: Um Futuro Brilhante para TMDs

Resumindo, aprendemos que nossa estrutura de túnel emissora de luz feita de WSe2 é um dispositivo de alta qualidade que mostra potencial para aplicações futuras. Através de experimentos de PL e EL, confirmamos que os mecanismos de emissão de luz são diferentes, levando a resultados variados com base em como excitamos o material.

Só arranhamos a superfície do que esses materiais podem fazer, e há muito mais para explorar. Essa jornada vai ser como descascar uma cebola - camada por camada, cada uma revelando algo novo. Mal podemos esperar para ver quais descobertas fascinantes nos aguardam no mundo dos TMDs e suas aplicações nas tecnologias que amamos.