Физики описали процесс изменения энергетической электронной структуры в двумерном дисульфиде вольфрама при объединении его в двухслойную гетероструктуру с нитридом бора. Оказалось, что сдвиг энергетических зон и спин-орбитальное расщепление связано с образованием трионов — тройных квазичастиц, состоящих из двух электронов и дырки или, наоборот, одного электрона и двух дырок. Управлять величиной эффекта можно с помощью дополнительного осаждения на поверхность гетероструктуры калия, сообщают ученые в Nature Physics.

Двумерные полупроводниковые кристаллы считаются одним из наиболее перспективных материалов для создания телекоммуникационных устройств следующего поколения. За счет объединения слоев полупроводника в многослойные гетероструктуры с другими двумерными материалами атомарной толщины можно изменять их электронные свойства (в частности, ширину запрещенной зоны), а также управлять спин-орбитальным взаимодействием и свойствами образующихся в материале квазичастиц, образованных взаимодействием электронов и дырок. Такие материалы могут оказаться полезными не только для традиционной электроники, но и, например, для спинтроники, основанной на кодировании информации за счет изменения направлений спинов электронов.

Чтобы понять, как происходит изменение электронных свойств двумерных полупроводников при объединении их в многослойные гетероструктуры с диэлектрическим слоем, группа физиков из США и Дании под руководством Криса Джозвяка (Chris Jozwiak) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли исследовала энергетическую структуру двухслойного гетерокристалла из диэлектрика нитрида бора BN и полупроводникового дисульфида вольфрама WS₂.

Для получения такого материала авторы работы нанесли на подложку из оксида титана слои дисульфида вольфрама и нитрида бора, которые частично перекрывались, образуя двухслойную гетероструктуру, связанную ван-дер-ваальсовыми силами. По словам ученых, создание такой наслаивающейся структуры — единственная возможность получить систему достаточного для анализа размера.

Схема синтезированной двухслойной гетероструктуры из дисульфида вольфрама и нитрида бора на подложке из оксида титана. J. Katoch et al./ Nature Physics, 2018

Образующуюся структуру электронных зон в слое дисульфида вольфрама авторы работы исследовали с помощью микросфокусированной фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (microAPRES) — одной из модификаций метода, который традиционно используется для анализа энергии электронов в том числе в двумерных материалах.

Срезы зонной структуры двухслойных гетероструктур WS2/NB постоянной энергии. J. Katoch et al./ Nature Physics, 2018

Оказалось, что увеличение концентрации электронов в слое дисульфида вольфрама по такому механизму, во-первых, приводит к очень сильному спин-орбитальному расщеплению, а во-вторых, сдвигает уровни энергетических зон: так положение максимума валентной зоны смещается с 430 миллиэлеткронвольт до 660 миллиэлектронвольт, а запрещенная зона уменьшается при этом на 325 миллиэлектроновольт.

При этом с помощью дополнительного осаждения на поверхность гетероструктууры калия можно управлять концентрацией электронов и как величиной эффекта спин-орбитального расщепления (которое возникает из-за взаимодействия электрона со своим спином и приводит к образованию двух энергетических уровней вместо одного), так и положением валентной зоны. Ученые связывают такие изменения с образованием трионов — квазичастиц, объединяющих в себе две дырки и электрон или, наоборот, двух электронов и дырок.

Схема динамики квазичастиц на энергетической диаграмме слоя дисульфида вольфрама при фотовозбуждении. Красным кружком обозначен электрон, белым — дырка. Фиолетовой линией обозначена энергия зоны проводимости, зеленой и желтой — двух валентных зон. J. Katoch et al./ Nature Physics, 2018

По словам авторов работы, полученных данных достаточно для разработки методов управления электронными, экситонными и спинтронных свойств двумерных полупроводниковых материалов можно управлять на основе изменения динамики квазичастиц в материале.

Уже сейчас одноатомные полупроводниковые слои из дисульфида вольфрама используют, например, для создания двумерных лазеров. Более толстые двумерные материалы, состоящие из нескольких десятков кристаллических слоев, можно применять для разработки суперконденсаторов.

Автор: Александр Дубов