Международный коллектив исследователей сделал важный шаг к контролю возбуждений в виде квазичастиц в двумерных полупроводниках. Результат поможет в будущем создавать электронику с управляемыми свойствами. Статья об исследовании, среди авторов которого ведущий ученый НИТУ «МИСиС» Готтхард Сейферт, опубликована в Nature Physics.

Создание двумерных полупроводниковых материалов — одна из важнейших областей современного материаловедения. В таких материалах носители заряда могут двигаться только в некоторых плоскостях, что делает эти вещества подходящей основой для элементов перспективных суперкомпактных электронных устройств нового поколения. Кроме графена среди двумерных материалов с подходящими электронными характеристиками можно назвать двумерный дисульфид молибдена (MoS₂), чья структура представляет собой одноатомный слой молибдена, расположенный между двумя слоями серы. Заряды в этом материале очень подвижны, поэтому его можно использовать в транзисторных элементах.

Сейферт описал механизм заращивания дефектов в структуре двумерного дисульфида молибдена в 2017 году, что сделало MoS₂ очень перспективным для микроэлектроники. Следующим шагом в этом направлении стало изучение свойств экситонов — квазичастиц возбуждения, которые представляют собой связанное состояние электрона и дырки. Оказалось, что в дисульфиде молибдена бывают межслоевые экситоны, в которых электрон и дырка локализованы в разных атомных слоях. Они дают очень специфический оптический сигнал, благодаря которому можно понять, что происходит при укладке очередного слоя. Это позволяют исследовать квантовые явления и идеально подходят для экспериментов в подразделе квантовой электроники — волитронике (от английского «valley» — «долина»). В рамках этого подхода ученые пытаюсь использовать наличие нескольких локальных минимумов («долин») в энергетическом спектре электронов.

«Благодаря использованию методов спектроскопии и квантово-химических расчетов из первых принципов мы выявили частично-заряженную пару электрон-дырка в гетероструктурах MoS₂/WSe₂, а также ее локализацию, — прокомментировал работу Сейферт. — Нам удалось контролировать энергию излучения этого нового экситона путем изменения относительной ориентации слоев».

По словам ученого, этот результат — важный шаг к тому, чтобы лучше понимать и контролировать экситонные эффекты в подобных гетероструктурах. Сейчас коллектив работает над дальнейшим изучением того, как вращение слоев влияет на электронные свойства материала. В будущем это позволит создавать новые уникальные материалы для солнечных панелей или электроники.