Нано-визуализация межподзонных переходов в многослойных двухмерных материалах

Полупроводниковые гетероструктуры являются ключевыми для развития электроники и оптоэлектроники. Многие приложения в инфракрасном и терагерцовом диапазонах частот используют переходы, называемые межподзонными переходами, между квантованными состояниями в полупроводниковых квантовых ямах.

Эти внутризонные переходы демонстрируют очень большие сильные осцилляторы, близкие к единице. Их открытие в полупроводниковых гетероструктурах III-V показало огромное влияние в сообществе физики конденсированных сред и вызвало развитие квантовых ячеек инфракрасных фотоприемников, а также квантовых каскадных лазеров.

Квантовые скважины самого высокого качества обычно изготавливаются с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (последовательный рост кристаллических слоев), что является хорошо известным методом. Однако это создает два основных ограничения: требуется согласование решетки, ограничение свободы материалов на выбор, а термический рост вызывает атомарную диффузию и увеличивает шероховатость поверхности.

2-D материалы могут преодолеть эти ограничения, поскольку они сами, естественно, образуют квантовую яму с атомарно острыми интерфейсами. Они обеспечивают бездефектные и атомарно острые интерфейсы, позволяющие создавать идеальные КВ, без диффузионных неоднородностей. Они не требуют эпитаксиального роста на соответствующем субстрате и поэтому могут быть легко изолированы и соединены с другими электронными системами, такими как Si CMOS или оптическими системами, такие как полости и волноводы.

Удивительно, но межподзонные переходы в малослойных двухмерных материалах никогда не изучались ни экспериментально, ни теоретически. Таким образом, в недавнем исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology, исследователи ICFO в сотрудничестве с Институтом Люмьер Матье, Техническим Университетом Дании, Институтом структуры и динамики вещества Макса Планка, сообщают о первых теоретических расчетах и ​​первом экспериментальном наблюдении межподзонных переходов в квантовых ямах малослойного полупроводника 2-D материалов (ТВД).

В своем эксперименте команда исследователей применила рассеивающую сканирующую ближнепольную оптическую микроскопию (s-SNOM) как инновационный подход для спектрального поглощения с пространственным разрешением менее 20 нм. Они отшелушивали ТВД, которые включали террасы различной толщины слоев по боковым размерам около нескольких микрометров.

Исследователи непосредственно наблюдали межподзонные резонансы для этих разных толщин квантовых ям в одном устройстве. Они также электростатически настраивали плотность носителей заряда и демонстрировали межподзонное поглощение как в валентной, так и в зоне проводимости. Эти наблюдения дополнялись и поддерживались подробными теоретическими расчетами, показывающими многочастичные и нелокальные эффекты.

Результаты этого исследования прокладывают путь к неисследованному полю в этом новом классе материалов и дают первый взгляд на физику и технологию, обеспечиваемые межподзонными переходами в двухмерных материалах, таких как инфракрасные детекторы, источники и лазеры с потенциалом для компактного интегрирования с Si CMOS.

Peter Schmidt et al. Nano-imaging of intersubband transitions in van der Waals quantum wells, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038/s41565-018-0233-9