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Os semicondutores de dichalcogeneto de metal de transição (TMD) são materiais especiais que há muito fascinam os pesquisadores com suas propriedades únicas. Por um lado, eles são materiais bidimensionais (2D) planos, com a espessura de um átomo, semelhantes ao grafeno. São compostos que contêm diferentes combinações do grupo dos metais de transição (por exemplo, molibdênio, tungstênio) e elementos calcogênio (por exemplo, enxofre, selênio, telúrio).
O que é ainda mais fascinante é que a montagem de diferentes camadas TMD em pilhas verticais cria um novo material artificial chamado heteroestrutura de van der Waals (vdW). Ao incorporar diferentes materiais, torna-se possível combinar as propriedades de camadas individuais, produzindo novos dispositivos optoeletrônicos com propriedades sob medida. Isso abre a porta para a exploração da física fundamental, como excitons intercamadas, twistrônicos e muito mais.
No entanto, até agora, nenhum cientista estudou se a mudança na ordem de empilhamento afeta as propriedades espectroscópicas destas heteroestruturas. Por muito tempo, a falta de compreensão das heteroestruturas TMD levou a uma hipótese questionável de que a alteração da ordem de empilhamento das camadas não afeta suas propriedades.
Isto foi recentemente desmascarado por uma equipe de pesquisadores do Centro de Física Integrada de Nanoestruturas (CINAP), Instituto de Ciências Básicas (IBS) na Coreia do Sul. Liderado pelo professor LEE Young Hee, o grupo descobriu que a ordem sequencial das camadas nas heteroestruturas afeta a geração de “excitons escuros” dentro do material. Esta descoberta sugeriu a importância adicional de considerar o empilhamento da dependência da ordem sequencial desses materiais para uso posterior em aplicações de dispositivos reais.
Os excitons representam um elétron e um buraco carregado positivamente (um local onde um elétron está ausente) unidos por atração eletrostática em um material sólido, normalmente um cristal semicondutor. Os semicondutores TMD monocamada têm um bandgap direto e exibem “excitons brilhantes” opticamente acessíveis. Ao mesmo tempo, existem também “excitons escuros”, que são difíceis de estudar devido à sua invisibilidade. No entanto, os mecanismos subjacentes que dão origem a estas anomalias não são totalmente compreendidos.
Os pesquisadores do IBS observaram um fenômeno notável: o surgimento ou desaparecimento de picos adicionais de fotoluminescência (PL) com base em diferentes sequências de empilhamento. Este efeito anteriormente não relatado foi confirmado como reprodutível em múltiplas heteroestruturas. Os pesquisadores atribuíram a origem desses picos adicionais ao surgimento do exciton escuro localizado exclusivamente na camada superior da heteroestrutura, o que é posteriormente confirmado pela microscopia de varredura por tunelamento (STM). Os pesquisadores esperam que esta propriedade possa ser utilizada para interruptores de energia óptica em painéis solares.
Riya SEBAIT, o primeiro autor do estudo, disse: “Nossos resultados experimentais demonstram claramente o empilhamento de propriedades anômalas dependentes de sequência, o que poderia potencialmente ser pioneiro em um novo campo de estudo chamado ‘fliptrônica’. À medida que invertemos ou invertemos a heteroestrutura, as bandas passam por uma renormalização única.”
Uma interface limpa e livre de resíduos é necessária para investigar propriedades dependentes sequenciais de empilhamento. Este estudo representa um avanço significativo, pois foi a primeira vez. Foi demonstrado que alterar a ordem sequencial de empilhamento na heteroestrutura pode levar a alterações em suas propriedades físicas.
Os pesquisadores tentaram explicar esse fenômeno induzido pela inversão examinando o modelo microscópico de muitas partículas, o que sugere que a deformação dependente da camada poderia ser uma solução possível para esse quebra-cabeça. Assumindo que a camada superior fica mais tensa em comparação com a camada inferior, os dados calculados utilizando o modelo teórico mostram boa concordância com os resultados experimentais. Isto sugere que este empilhamento dependente da sequência requer um estudo mais aprofundado, não apenas para a compreensão da física subjacente, mas também para suas aplicações em dispositivos reais.
Além disso, este estudo também facilita a utilização de excitons escuros com momento proibido, pois devido à renormalização única da banda na heteroestrutura, é possível convertê-los em excitons brilhantes.
O professor Young Hee Lee, principal autor correspondente, observa que “Este fenômeno excepcional do surgimento de excitons escuros na heteroestrutura da bicamada inspirará outros pesquisadores a se aprofundarem na compreensão e no aproveitamento dessas propriedades extraordinárias para aplicações.”
Este trabalho foi realizado em colaborações interdisciplinares com o Prof. Ermin MALIC da Philipps-Universität Marburg, Alemanha, e o pesquisador SEOK Jun Yun do Oak Ridge Laboratory, EUA.
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