二维半导体中的光致发光和谷极化

由于对改进信息技术的不断需求，需要研究具有超出传统电子设备的物质的材料。除了用于信息处理的载体的电子电荷之外，分层范德瓦尔斯材料现在提供了一种新的自由度，例如动量方向（谷指数）[1]或层数，可以被利用为电子和光电资源设备。新兴领域valleytronics目的是基于载流子的动量进行信息处理，而不是基于两个电极之间的电荷传输。使之成为可能的材料要求是:在能带结构中有两个或更多的谷(在不同的晶体方向上的传导和价带极值)，以及能够控制地用载流子填充谷。

二维半导体，如MoS₂或WS₂是很有前途的纳米光子学和光电子学材料[2-4]。它们的谷特性特别令人感兴趣，因为它们很容易通过圆偏振光获得。由于反对称和自旋轨道耦合，这些原子薄半导体具有光学选择规则，使得左旋或右旋圆偏振光[1]可以激发六方布里渊区的K谷或K '谷中的载流子。然而，材料成分和厚度都会影响激发谷中载流子的寿命，因此需要研究最合适的性质valleytronic材料。

设置

极化分辨光致发光可以用来表征谷极化。我们的装置是外延照明共聚焦显微镜，带有圆偏振激发激光和发射圆偏振分析(图1)。为了分析光致发光的光谱偏振依赖性，我们使用Andor Shamrock SR-303i-B-SIL光谱仪和一个前置照明Andor Newton DU970P-FI电子倍增CCD相机的组合。三叶草摄谱仪的双输出端口使我们能够记录光谱和衰变寿命。牛顿EMCCD相机，得益于它的电子倍增增益和热电冷却到零下80度^ºC，允许我们检测光致发光的强度范围广泛:从直接带隙单层膜的明亮发射到间接带隙多层膜的微弱信号，所有这些都在同一个实验平台上。

图1所示。测量层状半导体中谷极化的实验装置示意图。

结果

我们利用测量低光信号的能力来研究层状材料，如双层WS₂（厚度约为1.4nm），其具有非常低的光致发光量子产量的间接带隙。保持激发偏振固定和在检测路径中的左右圆形偏振光之间切换，我们测量在1.9-2eV的室温下发射光的圆偏振中的清晰对比度（图2）。此外，快速动力序列测量模式使我们能够快速获取光谱，即使对于电致发光信号随时间变化而变化。我们观察到双层WS的高度圆极化₂在室温下，与大多数需要低温温度的大多数二维半导体鲜明对比，以测量类似程度的极化。牛顿相机的低噪声和电子乘以增益能力对于两极化的光谱响应的有效分析很重要，因为由于带隙的间接性质，材料量子效率低。

图2。双层WS的光致发光光谱₂兴奋的σ₊激光光子能量为2.04 eV的偏振光。

参考

1. 二维材料中的瓦利电子学，J. R. Schaibley等。自然评论材料1,16055 (2016)
2. 硅米氏谐振器用于单层MoS的高定向光发射₂， F. Cihan等。自然光子学12,284-290 (2018)
3. 利用集体等离子体共振的多层WS2中激子的强耦合，王等人。ACS Photonics 6,2,286-293（2019）
4. 在传输过程中保持单层半导体的发射寿命和效率，Eizagirre Barker等。先进光学材料1900351 (2019)，DOI: 10.1002/adom.201900

接触

Alberto G. Curtto博士
TU/e -埃因霍温理工大学
Groene洛佩尔19
5612年阿兹埃因霍温
荷兰
电子邮件：A.G.Curto@TUe.nl
网络:http://www.nano-optics.nl.