[ad_1]

دانشمندان با پیش بینی پایان یک دهه ، در یک کلاس جدید امیدوار کننده نیمه رسانای دو بعدی بسیار نازک ، ابتدا ذرات دست نیافتنی به نام اکسیتون های تاریک را که توسط نور قابل مشاهده نیستند ، تجسم و اندازه گیری کردند.

تکنیک قدرتمندی که در یک مجله برجسته توصیف شده است علوم پایه، می تواند انقلابی در تحقیقات نیمه هادی ها و اکسیتون های دو بعدی ایجاد کند ، و پیامدهای عمیقی را برای دستگاه های فن آوری آینده ، از سلول های خورشیدی و LED ها تا تلفن های هوشمند و لیزر ایجاد می کند.

اکسیتون ها حالت های هیجان زده ماده ای هستند که در نیمه هادی ها یافت می شوند – ماده اصلی در بسیاری از فناوری های مدرن. آنها هنگامی تشکیل می شوند که الکترونهای موجود در یک ماده نیمه رسانا توسط نور به حالت انرژی بالاتر برانگیخته می شوند و یک “سوراخ” در سطح انرژی که الکترون قبلاً در آن قرار داشت ، پشت سر می گذارند.

پروفسور كشاو دانی ، رئیس بخش طیف سنجی فمتوثانیه در انستیتوی علم و فناوری در اوكیناوا (OIST) ، نویسنده ارشد ، توضیح داد: “سوراخ ها فقدان یك الکترون هستند و بنابراین بار معكوس الکترون را حمل می كنند.” “این بارهای مخالف جذب می شوند و الکترون ها و سوراخ ها با هم ترکیب می شوند و اکسیتون هایی را ایجاد می کنند ، که می توانند در سراسر مواد حرکت کنند.”

در نیمه رساناهای معمولی ، اکسیتون ها در کمتر از چند میلیارد ثانیه پس از ایجاد از بین می روند. علاوه بر این ، آنها می توانند “شکننده” باشند ، و مطالعه و دستکاری آنها را دشوار می کند. اما حدود یک دهه پیش ، دانشمندان نیمه هادی های دو بعدی را کشف کردند که در آن اکسیتون ها قوی تر هستند.

دکتر ژولین مادئو ، دانشمند طیف سنجی Femtosecond OIST ، می گوید: “اکسیتون های سالم به این مواد واقعاً ویژگی های منحصر به فرد و مهیجی می دهند ، بنابراین مطالعات فشرده بسیاری در سراسر جهان با هدف استفاده از آنها برای ایجاد دستگاه های جدید الکترونیکی وجود دارد. . “اما در حال حاضر یک محدودیت عمده در مورد روش آزمایشی استاندارد که برای اندازه گیری اکسیتون استفاده می شود وجود دارد.”

محققان در حال حاضر از روشهای طیف سنجی نوری – اساساً اندازه گیری طول موجهای نور جذب شده ، منعکس یا ساطع شده توسط مواد نیمه هادی – برای آشکار کردن اطلاعات در مورد حالتهای انرژی اکسیتونها استفاده می کنند. اما طیف سنجی نوری تنها قسمت کوچکی از تصویر را به تصویر می کشد.

دانشمندان مدت هاست می دانند که تنها یک نوع اکسیتون ، به نام اکسیتون های روشن ، می تواند با نور برهم کنش داشته باشد. اما انواع دیگر اکسیتون ها وجود دارد ، از جمله اکسیتون های تاریک منع تکانه. در این نوع اکسیتون تاریک الکترون از حفره هایی که به آن متصل هستند حرکت متفاوتی دارد که مانع جذب نور می شود. این همچنین به این معنی است که الکترونهای موجود در اکسیتونهای تاریک حرکت متفاوتی با الکترونهای موجود در اکسیتونهای روشن دارند.

دکتر مادئو گفت: “ما می دانیم که آنها وجود دارند ، اما نمی توانیم مستقیماً آنها را ببینیم ، نمی توانیم مستقیماً آنها را مطالعه کنیم و بنابراین نمی دانیم که چقدر مهم هستند یا چقدر روی خصوصیات اپتولکترونیک مواد تأثیر می گذارند.”

نور درخشان در اکسیتون های تاریک

دانشمندان برای تجسم اکسیتون های تاریک برای اولین بار ، تکنیکی قدرتمند را اصلاح کردند که قبلاً عمدتاً برای مطالعه الکترونهای منفرد غیر منفرد استفاده می شد.

پروفسور دانی گفت: “مشخص نبود که این تکنیک برای اکسیتون ها ، که ذرات تشکیل دهنده الکترون هستند ، کار می کند. بسیاری از کارهای نظری در جامعه علمی درباره بحث درباره اعتبار این رویکرد انجام شده است.”

روش آنها فرض می کند که اگر از پرتوی نور حاوی فوتون با انرژی کافی بالا برای برخورد با اکسیتون در مواد نیمه رسانا استفاده شود ، انرژی حاصل از فوتون ها اکسیتون ها را شکسته و الکترون ها را مستقیماً از مواد بیرون می کشد.

با اندازه گیری جهتی که الکترون ها از ماده به بیرون پرواز می کنند ، دانشمندان می توانند حرکت اولیه الکترون ها را در زمانی که جزئی از اکسیتون ها هستند ، تعیین کنند. بنابراین ، دانشمندان نه تنها قادر به دیدن هستند ، بلکه اکسیتون های روشن را از اکسیتون های تاریک نیز تشخیص می دهند.

اما استفاده از این تکنیک جدید نیاز به حل چالشهای بزرگ فنی داشت. دانشمندان باید پالس های نوری را با فوتون های ماوراlet بنفش شدید با انرژی بالا تولید کنند که قادر به جدا كردن اکسیتون ها و خارج كردن الکترون ها از مواد است. سپس این ابزار باید قادر به اندازه گیری انرژی و زاویه این الکترون ها باشد. علاوه بر این ، از آنجا که عمر اکسیتون ها بسیار کوتاه است ، این دستگاه مجبور بود در یک بازه زمانی کمتر از هزار میلیارد ثانیه کار کند. سرانجام ، این ابزار همچنین برای اندازه گیری نمونه های نیمه هادی 2D ، که معمولاً فقط در اندازه های میکرون در دسترس هستند ، به وضوح مکانی کافی کافی نیاز دارد.

دکتر مایکل مان ، نویسنده همکار ، از واحد طیف سنجی Femtosecond OIST ، گفت: “وقتی همه مسائل فنی را حل کردیم و ساز را روشن کردیم ، صفحه نمایش ما اکثراً جالب بود – واقعاً حیرت انگیز بود.”

محققان مشاهده کردند که هم اکسیتون های روشن و هم تاریک در مواد نیمه هادی وجود دارد. اما در کمال تعجب ، محققان همچنین دریافتند که اکسیتون های تاریک بر مواد مسلط هستند و از تعداد اکسیتون های روشن بیشتر است. بعلاوه ، این تیم اظهار داشت که تحت شرایط خاص ، از آنجا که الکترونهای برانگیخته در سطح مواد پراکنده می شوند و اینرسی را تغییر می دهند ، اکسیتون ها می توانند بین تاریک یا روشن تغییر مکان دهند.

دکتر مادئو گفت: “غلبه اکسیتون های تاریک و برهم کنش بین اکسیتون های تاریک و روشن نشان می دهد که اکسیتون های تاریک حتی بیش از حد انتظار بر روی این کلاس جدید از نیمه هادی ها تأثیر می گذارند.”

“این نتیجه گیری پروفسور دنی است.” این نه تنها اولین مشاهده اکسیتون های تاریک را فراهم می کند و خصوصیات آنها را روشن می کند ، بلکه دوره جدیدی را در مطالعه اکسیتون ها و سایر ذرات هیجان زده معرفی می کند. “

[ad_2]

منبع: packge-news.ir

ایندکسر