研究人員從原子層面了解二維半導體界面上的電荷轉移過程
半導體在當代科技中隨處可見,它可以促進或阻斷電流的流動。為了了解二維半導體在未來電腦和光伏技術中的應用潛力,哥廷根大學、馬爾堡大學和劍橋大學的研究人員對這些材料中電子和電洞之間的結合進行了研究,揭示了電荷如何在半導體之間僅有原子厚度的界面上轉移。
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超短閃光打破了電子(紅色)和電洞(藍色)之間的結合,從而實現了對原子薄半導體中電荷轉移過程的研究。資料來源:Lukas Kroll、Jan Philipp Bange、Marcel Reutzel、Stefan Mathias:《科學進展》,DOI: 10.1126/sciadv.adi1323
透過使用一種特殊的方法破壞電子和電洞之間的結合,他們得以從微觀上深入了解半導體界面上的電荷轉移過程。相關成果發表在《科學進展》(Science Advances)。
當光線照射到半導體上時,其能量會被吸收。因此,帶負電荷的電子和帶正電荷的電洞在半導體中結合成對,形成激子。在最先進的二維半導體中,這些激子具有極高的結合能。在他們的研究中,研究人員為自己設定了一個挑戰:研究激子的電洞。
哥廷根大學的物理學家兼第一作者Jan Philipp Bange 解釋說:”在我們的實驗室,我們使用光發射光譜來研究量子材料對光的吸收如何導致電荷轉移過程。迄今為止,我們一直專注於電子-電洞對中的電子,我們可以使用電子分析儀測量這些電子。到目前為止,我們還沒有任何方法可以直接獲取電洞本身。因此,我們對如何不僅描述激子的電子,還能描述其空穴的特性這一問題很感興趣”。
為了回答這個問題,哥廷根大學物理系的馬塞爾-羅伊策爾博士和斯特凡-馬蒂亞斯教授領導的研究人員使用了一種特殊的光電子顯微鏡和高強度雷射。在這過程中,激子的破裂會導致實驗中測得的電子能量損失。
羅伊策爾解釋說:”這種能量損失是不同激子的特徵,取決於電子和電洞相互作用的環境。”
在目前的研究中,研究人員使用了由兩種不同原子厚度的半導體組成的結構,證明激子的電洞從一個半導體層轉移到另一個半導體層,類似於太陽能電池。馬爾堡大學的埃爾明-馬利克教授團隊能夠透過一個模型來解釋這個電荷轉移過程,描述微觀層面上發生的情況。
馬蒂亞斯總結道:”未來,我們希望利用電子和電洞相互作用的光譜特徵來研究量子材料中超短時間和超長尺度的新階段。這些研究可以成為開發新技術的基礎,我們希望將來能為此做出貢獻。”
編譯自: ScitechDaily