單層二硫化鉬半導(dǎo)體在光激發(fā)下導(dǎo)電能力下降
美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，單層二硫化鉬半導(dǎo)體在光激發(fā)下導(dǎo)電能力下降。利用這一新的光電導(dǎo)機(jī)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(bào)》上。
眾所周知，電腦芯片及太陽能電池中使用的硅半導(dǎo)體在光的照射下，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)。麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)烈的激光脈沖照射下, 只有三個(gè)原子厚的單層二硫化鉬的電導(dǎo)率會(huì)減少到最初電導(dǎo)率的三分之一。該研究小組利用光學(xué)激光脈沖形成該效應(yīng)，并利用時(shí)滯太赫茲脈沖來檢測材料的導(dǎo)電響應(yīng)。
研究人員表示，這是半導(dǎo)體光電導(dǎo)的新機(jī)制，此前從未觀察到。雖然曾報(bào)道某些半導(dǎo)體系統(tǒng)存在負(fù)光電導(dǎo)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(dāng)光激發(fā)半導(dǎo)體時(shí)其導(dǎo)電率會(huì)增加，因?yàn)楣馕蘸螅尚纬伤缮⒌碾娮雍涂昭▽�，使電流通過材料比較容易。這種現(xiàn)象是設(shè)計(jì)和優(yōu)化太陽能電池及數(shù)碼相機(jī)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(gè)顯著特性，即其二維平面內(nèi)的電荷載體的強(qiáng)約束性。其電荷載體之間的靜電相互作用比三維固體要強(qiáng)。強(qiáng)靜電相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常有趣的效應(yīng)：當(dāng)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(yùn)動(dòng)，而是仍然綁定在一起，這種束縛狀態(tài)又稱為激子（Trions）。
事實(shí)上，單層二硫化鉬的相互作用十分強(qiáng)，以至于激子可以捕捉額外的自由電子，形成兩個(gè)電子和一個(gè)空穴的束縛狀態(tài)。這些復(fù)雜的粒子類似于帶負(fù)電荷的氫離子，由兩個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子組成。在單層二硫化鉬中，激子與電子相同，帶有一個(gè)負(fù)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(yīng)比較遲鈍，導(dǎo)致材料的導(dǎo)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(shí)間極短，因此，檢測其對材料電導(dǎo)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(qiáng),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(shí)現(xiàn)室溫激子設(shè)備，否則激子設(shè)備就會(huì)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(jìn)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(dǎo)體，他們推測其他二維材料可能具有更強(qiáng)的作用，可能也會(huì)表現(xiàn)出相同的光電導(dǎo)現(xiàn)象。研究人員表示，這一結(jié)果是二硫化鉬強(qiáng)勁庫侖相互作用的另一個(gè)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(bào)。
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