Новый тип фотопроводимости для экситонной электроники

При освещении полупроводников, используемых в компьютерных чипах или солнечных батареях, их сопротивление уменьшается. Однако на полупроводник нового типа — монослойный дисульфид молибдена — свет оказывает противоположное действие. Об открытии этого аномального эффекта коллектив физиков из Массачусетского технологического института (MIT), Гарварда и Тайваня сообщает в журнале Physical Review Letters.

Исследователи установили, что под воздействием коротких импульсов мощного оптического лазера монослой MoS₂ теряет примерно треть от исходной проводимости. Мониторинг изменений электропроводности материала во реальном времени производился бесконтактным зондированием его импульсами излучения терагерцевой частоты.

Аномальное поведение проводимости исследователи объясняют структурными особенностями монослойных материалов. Локализация носителей зарядов в двух измерениях значительно усиливает взаимодействие между ними. В результате этого генерируемые падающим на поверхность полупроводника светом электрон и дырка вместо того, чтобы как в 3D-случае, разлетаться свободно и увеличивать общую проводимость, остаются связанной парой. Такое состояние называют экситоном.

Фактически, интенсивность взаимодействий заряженных частиц в дисульфиде молибдена настолько велика, что экситоны получают способность захватывать дополнительные свободные электроны и создавать связанные состояния из двух электронов и одной дырки. Такие сложные псевдочастицы, трионы, являются аналогом отрицательно заряженных ионов водорода, состоящих из двух электронов и одного протона.

В однослойном MoS₂ трионы несут такой же суммарный заряд, как и электроны, но обладают массой почти втрое больше.

Таким образом, облучение в данном случае вместо того, чтобы увеличить плотность свободных носителей зарядов, оставляет ее неизменной, но преобразует электроны в более массивные трионы. Это замедляет реакцию на внешнее электрическое поле и снижает электропроводность материала.

Это новый механизм фотопроводимости в полупроводниках, не наблюдавшийся прежде. Негативная фотопроводимость, выявленная раньше в некоторых полупроводниковых системах, объяснялась привнесенными факторами, такими как дефекты. В данном же случае причиной являются внутренние свойства кристалла.

Трионы до сих пор считались нестабильными псевдочастицами, существующими очень недолго и при низких температурах. Короткое время жизни сильно усложняло исследование влияния трионов на проводимость.

«В однослойном MoS₂ трионный эффект настолько силен, что наблюдается даже при комнатной температуре, — заявил Джошуа Луи (Joshua Lui), постдок MIT. — Хотя трионы живут менее миллиардной доли секунды наша терагерцевая методика позволяет обнаружить их прежде чем они распадутся».

Авторы полагают, что это открытие может способствовать созданию экситонных устройств, способных, в противоположность прежнему, функционировать при комнатных температурах. Использование для управления ими световых импульсов позволит отказаться от проводных соединений.

До сих пор данное явление изучалось только на примере MoS₂, теперь же ученые планируют расширить исследование на других представителей семейства двумерных дихалькогенидов переходных металлов, для которых они также прогнозируют сильный трионный эффект и аномальную фотопроводимость.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365