全く新しい単層強誘電性ハイブリッド構造

米国海軍研究所材料科学技術局の科学者が、二硫化タングステン(WS2)から放出されるフォトルミネッセンスの強度と分光組成が、強誘電体チタン酸ジルコン鉛(PZT)の隣接膜の分極領域によって空間的に制御可能であることを実証したみたいです。この領域は、導電性原子間力顕微鏡を使ってPZTに書かれ、光ルミネセンス(PL)は、室温で空気中で測定されています。強誘電性分極分域壁幅は最小1-10nmになり得、この手法がPL 強度とナノ規模分解能の潜在性を持つ対応するキャリア集団の空間変調を可能にしています。

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単層遷移金属ジカルコゲナイド

Novel monolayer ferroelectric hybrid structures

Single monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) such as WS2 exhibit striking optical properties due to their direct band gap. The dielectric screening is very low due to their two dimensional (2D) character, and thus their properties are strongly affected by their immediate environment, and can be modified and controlled by variations in local charge density due to adsorbates or electrostatic gating. This has generated keen interest in a wide variety of electronic and optical device applications.

WS2等の単一単層遷移金属ジカルコゲナイド(TMD)は、それらのバンドギャップのおかげで特筆すべき光学的性質を誇示しています。誘電遮蔽は、それらの二次元特徴により非常に低く、従って、それらの性質は周囲の状況によって強く影響され、吸着剤や静電ゲーティングによる局所電荷密度の変動によって修正・制御が可能です。この事が、幅広い電子・光デバイスアプリケーションの分野において、強い関心を産み出しています。

中性励起子・荷電励起子(トリオン)

They found that the PL intensity from the WS2 is high only from the areas over domains in the PZT where the polarization dipole points out of the surface plane, as shown in the adjacent figure. Further analysis revealed that the spectral composition of the PL was also strongly affected—the spectra from the “up” domains were dominated by neutral exciton contributions (a bound state of an electron and hole arising from Coulomb interaction), while those from the “down” domains were dominated by negatively charged exciton, or trion, contributions (an exciton with an extra electron).

「彼等は、WS2のPL強度が、直前の図が示しているように、分極双極子が表面平面の中から外へ指し示しているPZTのドメイン上の区画からのみ強いことを発見しました。さらなる分析が、そのPLの分光組成も強く影響されている、つまり、上向き領域のスペクトルが、中性エキシトン(中性励起子:クーロン相互作用から生じる電子とホールの束縛状態)寄与によって占められている一方で、下向き領域のスペクトルは負に帯電したエキシトン、あるいは、トリオン(1個の余剰電子を持つ励起子)寄与によって独占されていることも同様に明らかにしてくれています。」

単層強誘電性ハイブリッド構造

The payoff includes development of TMD materials and hybrid 2D/3-D heterostructures with new functionality relevant to the DoD mission, including ultra-low power electronics, non-volatile optical memory and quantum computation for future DoD applications in information processing and sensing.

「研究の見返りには、TMD材料開発、超低電力電子機器、非揮発性光メモリ、情報処理やセンシング分野での将来のDoDアプリ用量子計算を含む、DoDミッションに関連する新しい機能性を持つハイブリッド2次元・3次元ヘテロ構造を含んでいます。」

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