Недавно достигнутый точный контроль над светом, излучаемым невероятно крошечными источниками размером в несколько нанометров, встроенными в двумерные (2D) материалы, может привести к созданию мониторов с удивительно высоким разрешением и достижениям в области сверхбыстрых квантовых вычислений, считает международная команда во главе с исследователями из Университета штата Пенсильвания и Университета Париж-Сакле.

В недавнем исследовании, опубликованном в ACS Photonics, ученые работали вместе, чтобы показать, как свет, излучаемый двумерными материалами, может быть модулирован путем встраивания в них второго двумерного материала — например, крошечного острова размером в несколько нанометров, называемого наноточкой. Команда описала, как они добились удержания наноточек в двух измерениях и продемонстрировали, что, контролируя размер наноточек, они могут изменять цвет и частоту излучаемого света.

«Если у вас есть возможность получить локализованное излучение света от этих материалов, которые имеют отношение к квантовым технологиям и электронике, это очень интересно», — сказал Насим Алем, доцент кафедры материаловедения и инженерии штата Пенсильвания и соавтор исследования. «Представьте себе, что вы получаете свет из нулевой точки в вашем поле, как точка в космосе, и не только это, но вы также можете им управлять. Вы можете управлять частотой. Вы также можете контролировать длину волны, откуда она приходит».

Исследователи встроили наноточки, сделанные из двумерного материала под названием диселенид молибдена, в другой двумерный материал, диселенид вольфрама, а затем направили пучок электронов на структуру, чтобы заставить ее излучать свет. Этот метод, называемый катодолюминесценцией, позволил команде изучить, как отдельные наноточки в материале излучают свет с высоким разрешением.

«Объединив инструмент обнаружения света с просвечивающим электронным микроскопом, который является мощным микроскопом, использующим электроны для изображения образцов, вы можете увидеть гораздо более мелкие детали, чем с помощью других методов», — сказал Сайфанендра Бачу, первый автор, который был основным докторантом исследования до получения докторской степени в Университете штата Пенсильвания в 2023 году, а теперь является инженером по анализу TEM в Samsung Austin Semiconductor. «Электроны имеют крошечные длины волн, поэтому разрешение невероятно высокое, что позволяет обнаруживать свет от одной крошечной точки отдельно от другой близлежащей точки».

Они обнаружили, что большие точки излучают один тип свечения, в то время как более мелкие — другой. Когда точки чрезвычайно малы — менее 10 нанометров в ширину, что примерно соответствует размеру 11 атомов водорода, расположенных в линию, — они ведут себя уникальным образом, захватывая энергию и излучая свет с более высокой частотой, что соответствует меньшей длине волны.

По словам Алема, это явление называется квантовым удержанием. Это происходит, когда точки находятся в пространстве настолько малом, что их энергия становится квантованной, то есть она становится дискретной характеристикой, которая обеспечивает новые свойства, в том числе новые электронные и оптические возможности. В этом случае исследователи подтвердили, что наноточки удерживают пары фундаментальных частиц, известные как экситоны, на границе раздела диселенида молибдена и диселенида вольфрама.

Экситоны могут переносить энергию, но не переносят суммарный заряд, и они могут влиять на то, как ведут себя полупроводники — чипы, лежащие в основе смартфонов, компьютеров и многого другого. Точно контролируя экситоны в материалах, ученые могут более эффективно манипулировать светом, который они излучают, что, по их словам, может привести к созданию более быстрых и безопасных квантовых систем, а также других настраиваемых, энергосберегающих устройств, таких как экраны с более высоким разрешением.

«Подумайте о том, как работают OLED-дисплеи», — сказал Бачу. «Каждый пиксель имеет свой собственный крошечный источник света, поэтому вы можете контролировать точный цвет или яркость каждого из них. Это позволяет отображать на экране истинный черный цвет и точные цвета, такие как красный, зеленый и синий. Если вы усовершенствуете этот процесс, вы сделаете изображение намного четче и ярче».

Управление происходит за счет регулировки запрещенной зоны — по сути, порога энергии, который электроны должны пересечь, чтобы материал излучал свет — полупроводникового материала. Материалы с меньшими размерами, такие как один слой двумерного диселенида вольфрама, могут иметь прямую запрещенную зону, которая более эффективна при излучании света по сравнению с более толстым непрямым аналогом, сказал Алем.

Но эффективность светового излучения и другие электронные и оптические свойства различаются даже среди семейства родственных двухмерных материалов, таких как дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, диселенид молибдена и диселенид вольфрама, потому что каждый из них имеет разную энергию запрещенной зоны.

«Смешивая их — например, комбинируя диселенид молибдена и диселенид вольфрама в определенных соотношении — вы можете точно настроить запрещенную зону для излучения света в определенном столбеили», — сказал Бачу. «Этот процесс, называемый проектированием запрещенных зон, возможен благодаря широкому разнообразию материалов в этом семействе, что делает их отличной платформой для изучения и создания этих источников света».

Исследователи заявили, что теперь они планируют развивать эту работу.

«Это только верхушка айсберга», — сказал Алем. «Изучая роль атомной структуры, химии и других факторов в контроле излучения света, а также расширяя уроки, извлеченные в этом исследовании, мы можем вывести это исследование на новый уровень и разработать практические приложения».

Наряду с Алемом и Бачу, другими авторами исследования из штата Пенсильвания являются Бенджамин Хьюэт, доцент кафедры материаловедения и инженерии; Лейсинь Мяо, получивший докторскую степень в Университете штата Пенсильвания в 2022 году и в настоящее время работающий инженером по TD-модулям и интеграционным доходам в Intel; Даниэль Рейфснайдер Хикки, доцент кафедры химии, материаловедения и инженерии; Николас Трейнор, аспирант в области материаловедения и инженерии; и Джоан Редвинг, заслуженный профессор материаловедения и инженерии и директор Консорциума двумерных кристаллов Института исследований материалов штата Пенсильвания (2DCC-MIP), платформы инноваций в материалах Национального научного фонда США (NSF) и национального пользовательского объекта. Соавторы Луис Х. Г. Тизеи, Штеффи Й. Ву и Матье Косиак, Университет Париж-Сакле; Фатима Хабис и Юаньси Ван, Университет Северного Техаса; Гвангву Ким и Дип Джаривала, Университет Пенсильвании; а также Кэндзи Ватанабэ и Такаши Танигути, Национальный институт материаловедения Японии, также внесли свой вклад в работу над статьей.

Эта работа была частично поддержана стипендиальной программой Фулбрайта, премией NSF CAREER, 2DCC-MIP и исследовательскими и инновационными программами Европейского Союза Horizon 2020.