單層二硫化鉬半導體在光激發(fā)下導電能力下降
美國麻省理工學院和哈佛大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，單層二硫化鉬半導體在光激發(fā)下導電能力下降。利用這一新的光電導機制有望研制下一代激子設(shè)備。該發(fā)現(xiàn)發(fā)表在近日的《物理評論快報》上。
眾所周知，電腦芯片及太陽能電池中使用的硅半導體在光的照射下，其導電能力增強。麻省理工學院和哈佛大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，在強烈的激光脈沖照射下, 只有三個原子厚的單層二硫化鉬的電導率會減少到最初電導率的三分之一。該研究小組利用光學激光脈沖形成該效應，并利用時滯太赫茲脈沖來檢測材料的導電響應。
研究人員表示，這是半導體光電導的新機制，此前從未觀察到。雖然曾報道某些半導體系統(tǒng)存在負光電導性，但大多是由于外在因素，如缺陷等，而目前的發(fā)現(xiàn)則是晶體的內(nèi)在屬性。
當光激發(fā)半導體時其導電率會增加，因為光吸收后，可形成松散的電子和空穴對，使電流通過材料比較容易。這種現(xiàn)象是設(shè)計和優(yōu)化太陽能電池及數(shù)碼相機等光電設(shè)備的基礎(chǔ)。
層狀原子晶體是近年來熱門的研究課題，這些材料有一個顯著特性，即其二維平面內(nèi)的電荷載體的強約束性。其電荷載體之間的靜電相互作用比三維固體要強。強靜電相互作用會產(chǎn)生一個非常有趣的效應：當光激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對，不是產(chǎn)生三維固體中的自由運動，而是仍然綁定在一起，這種束縛狀態(tài)又稱為激子（Trions）。
事實上，單層二硫化鉬的相互作用十分強，以至于激子可以捕捉額外的自由電子，形成兩個電子和一個空穴的束縛狀態(tài)。這些復雜的粒子類似于帶負電荷的氫離子，由兩個電子和一個質(zhì)子組成。在單層二硫化鉬中，激子與電子相同，帶有一個負電荷，但其質(zhì)量比電子大三倍左右，因此在光激發(fā)下，不是增加自由電子，而是相同的電荷密度較重的激子。在電場的作用下，其反應比較遲鈍，導致材料的導電性降低。
激子是已知的不穩(wěn)定粒子，通常在非常低的溫度出現(xiàn)，持續(xù)時間極短，因此，檢測其對材料電導率的影響非常具有挑戰(zhàn)性。單層二硫化鉬的激子作用非常強,在室溫條件下就可以發(fā)現(xiàn)它。雖然激子的壽命不足十億分之一秒，但超快的太赫茲技術(shù)可以在它們衰變前檢測到。
該發(fā)現(xiàn)有助于實現(xiàn)室溫激子設(shè)備，否則激子設(shè)備就會需要在極低的溫度下才能工作。此外,由于該作用可以利用光脈沖進行開關(guān)，所以這些設(shè)備很容易控制，可無線連接。
到目前為止，該研究小組只研究了二硫化鉬這種新二維半導體，他們推測其他二維材料可能具有更強的作用，可能也會表現(xiàn)出相同的光電導現(xiàn)象。研究人員表示，這一結(jié)果是二硫化鉬強勁庫侖相互作用的另一個證據(jù)，與先前的單層過渡金屬二硫族化合物激子作用的研究結(jié)果一致。來源科技日報。
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