文化资讯

物理学家发现单层MoS2中的负光电导性

在麻省理工学院的物理学家发现,在单层二硫化钼(MoS2)上照射光线会使材料导电性降低。 /

这是一个众所周知的电子学现象:在半导体上发光,如计算机芯片和太阳能电池中使用的硅,将使其更具导电性。但是现在研究人员已经发现,在特殊的半导体中,光线可能会产生相反的效果,使得材料导电性降低。

这种现象是在奇异的二维半导体中发现的 - 单层二硫化钼(MoS2)只有三个原子厚。这一发现将在麻省理工学院博士后Joshua Lui的“物理评论快报”上发表。 Nuh Gedik,Lawrence C.和Sarah W. Biedenharn职业发展物理副教授;另外六人在麻省理工学院,哈佛大学和台湾。

研究人员发现,当被强烈的激光脉冲照射时,单层MoS2减少到其初始导电率的大约三分之一。该团队使用光学激光脉冲来产生效应和时间延迟的太赫兹脉冲,以检测材料的导电响应。

“通过测量透过材料的太赫兹辐射的传输,我们可以提取其电导率,”Gedik说。 “这种方法比将电接点连接到样品并测量电流的传统方法更方便。”

当半导体被光照射时,其导电率趋于增加。这是因为光吸收会产生成对的松散电子和空穴 - 位于具有“缺失”电子的材料中 - 促进电流流过材料。这种现象一直是设计和优化光电子器件如太阳能电池,数码相机和其他光探测器的基础。

然而,MIT团队在二维半导体中观察到相反的行为。 “近年来,原子级薄层晶体一直是激烈研究的主题,”吕说。 “这些材料的一个显着特性是电荷载体在二维平面中的强约束。 ...结果,电荷载体之间的静电相互作用比三维固体中的静电相互作用强得多。“

强烈的静电相互作用产生了一个有趣的效果:当光在材料中产生电子 - 空穴对时,它们不会像在三维固体中那样自由飞离,而是保持在一起。这种束缚态称为激子。

事实上,单层MoS2中的相互作用非常强烈,以至于激子可以捕获材料中额外的自由电子并且通过两个电子和一个空穴形成束缚态。

“这些复杂的粒子被称为trions,”吕说。 “它们类似于负电荷的氢离子,它由两个电子和一个质子组成。”

在单层MoS2中,trions与电子具有相同的净电荷,但质量约为电子的三倍。 “他们更重的质量对电场的反应迟钝,并降低了材料的导电性,”Lui说。

照度实际上将原始自由电子转换为具有相同电荷密度的较重电荷,而不是增加自由电荷的数量。这是光照下单层MoS2电导率下降的原因。

“这是一种半导体光电导的新机制,”Gedik说,“这在以前没有观察到。”

“虽然在一些半导体系统中已经报道了负光电导,但它总是来自诸如缺陷等外在因素,”Lui补充道。 “在这种情况下,它是水晶的固有属性。”

已知Trions是不稳定的颗粒,通常在非常低的温度下出现并持续极短的时间 - 因此检测它们对材料导电性的影响是非常具有挑战性的。 “在单层MoS2中,三重效应非常强大,即使在室温下也能看到,”Lui说。 “虽然三分之一秒的时间不到十亿分之一秒,但我们的超高速太赫兹技术可以在它们衰减之前检测到它们。”

格迪克说,这项工作“可能有助于我们实现室温激子器件”,否则将需要极低的温度。另外,因为可以使用光脉冲来打开和关闭效果,所以这种设备可以容易地在没有有线连接的情况下进行控制。

到目前为止,该团队只研究了MoS2中的效应,这是属于一个新的二维半导体族。 “还有其他类型的二维材料具有[类似]强大的三重效应。”Lui说。 “他们很可能会出现相同的光电导现象”。

华盛顿大学的物理学教授徐晓东并未参与这项研究,他说这是“一项有趣而坚实的工作。”他补充道,“这个结果是MoS2强库仑相互作用的另一个证据,是一致的之前有关单层过渡金属二硫族化合物中稳定结构的研究。“

该研究得到美国能源部和国家科学基金会的支持。

出版物:接受物理评论通讯

PDF研究副本:Trion在单层MoS2中诱导负光电导性

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

图片:Jose-Luis Olivares /麻省理工学院