Ultralow-Tensile Strain Enables Exciton Funneling and Energy Transfer to Boost MoSe2 Photoluminescence Quantum Yield

La luce e la materia interagiscono in modi che spesso sembrano controintuitivi, specialmente quando riduciamo i materiali allo spessore di un singolo atomo. Nel mondo dei semiconduttori bidimensionali, gli scienziati cercano da tempo un modo per rendere questi fogli ultra-sottili più luminosi ed efficienti nell'emettere luce. Questa ricerca è centrale per lo sviluppo di elettronica più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico e di nuovi tipi di dispositivi quantistici. Il comportamento della luce in questi materiali dipende fortemente da come gli elettroni e i loro partner, chiamati eccitoni, si muovono e interagiscono. I ricercatori possono influenzare questo comportamento stirando o comprimendo il materiale, una tecnica nota come ingegneria dello strain (tensione). Proprio come una corda di chitarra cambia l'intonazione quando viene tesa, le proprietà elettroniche di questi fogli atomici cambiano quando i loro legami atomici vengono allungati. Un altro fattore chiave è come l'energia si muove tra diversi strati quando sono impilati insieme. Quando uno strato assorbe la luce, può passare quell'energia a uno strato vicino senza spostare alcuna carica elettrica, un processo che agisce come un passaggio silenzioso del testimone. La sfida è stata trovare un modo semplice e controllabile per combinare questi effetti per aumentare la luminosità della luce emessa.

Un team di ricercatori ha ora dimostato che applicare una minuscola quantità di allungamento a una pila di questi strati atomici può aumentare drasticamente la loro capacità di emettere luce. Hanno costruito una struttura simile a un sandwich utilizzando due diversi tipi di cristalli spessi un singolo atomo, separati da un sottile strato isolante di nitruro di boro. L'intero stack è stato posizionato sopra una microscopica bolla fatta dello stesso materiale isolante, che era stata cresciuta su una superficie di zaffiro. La bolla agisce come una rampa curva e dolce che allunga i materiali posti sopra di essa. I ricercatori hanno scoperto che questa configurazione, che applica una forza di allungamento molto piccola, ha fatto sì che la luce emessa dallo stack diventasse circa otto volte più luminosa rispetto a una versione non tesa dello stesso materiale.

L'esperimento è iniziato con la creazione accurata di una microscopica bolla su un chip di zaffiro. Utilizzando una tecnica di crescita specializzata, il team ha prodotto una bolla di nitruro di esagonale di boro che era alta circa 0,12 micrometri con un diametro alla base di 6,25 micrometri. Hanno poi utilizzato un metodo di trasferimento a secco preciso per raccogliere un singolo strato di diselenuro di molibdeno e posizionarlo sopra la bolla, seguito da uno strato spaziatore sottile e un singolo strato di disolfuro di renio sopra. Lo spaziatore era spesso circa 12 nanometri, una distanza scelta specificamente per impedire alle cariche elettriche di saltare tra gli strati pur permettendo all'energia di passare. Quando hanno esaminato il campione, hanno visto che gli strati sopra la bolla erano sotto una tensione molto lieve, allungando i legami atomici di circa lo 0,1 percento.

Per capire cosa stesse accadendo, i ricercatori hanno prima osservato come il materiale rispondeva alla luce senza lo strato superiore in posizione. Hanno illuminato il campione con un laser e hanno osservato che la luce proveniente dal diselenuro di molibdeno era significativamente più luminosa nella parte superiore della bolla rispetto all'area piatta vicina. Questo accadeva perché lo stretching creava una dolce pendenza nel panorama energetico del materiale. Gli eccitoni, che sono coppie di elettroni e lacune che trasportano energia, tendono naturalmente verso l'area di maggiore allungamento, proprio come l'acqua che scorre in discesa verso il punto più basso. Questa accumulazione di energia al picco della bolla ha aumentato la popolazione locale di eccitoni, rendendo più forte l'emissione di luce.

Quando i ricercatori hanno aggiunto lo strato superiore di disolfuro di renio per completare lo stack, l'effetto è diventato ancora più pronunciato. Il disolfuro di renio assorbiva la luce laser in arrivo e trasferiva quell'energia al diselenuro di molibdeno sottostante. Nella parte piatta e non tesa del campione, questo trasferimento risultava in un modesto aumento della luminosità. Tuttavia, sulla bolla, dove il materiale era teso, la luminosità è balzata di un fattore di circa sette o otto rispetto al singolo strato da solo. Lo stretching ha fatto due cose simultaneamente: ha aiutato a incanalare gli eccitoni verso il centro della bolla e ha aumentato la forza dell'interazione tra i due strati, rendendo il trasferimento di energia più efficiente.

Il team è stato attento a escludere altre possibili spiegazioni per questo drammatico aumento di luminosità. Una preoccupazione comune in tali esperimenti è che la forma curva della bolla possa agire come una lente o uno specchio, intrappolando la luce e facendola apparire più luminosa attraverso un effetto di interferenza ottica. Per testare questo, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per modellare come la luce si comporterebbe nello stack. Questi calcoli hanno mostrato che la forma della bolla causerebbe solo un cambiamento trascurabile in quanto la luce viene assorbita o riflessa. Ciò ha confermato che il massiccio aumento di luminosità non era un trucco ottico ma un genuino cambiamento nel modo in cui il materiale gestisce l'energia.

Ulteriori indagini sulla velocità dell'emissione di luce hanno fornito ulteriori indizi. Misurando la velocità con cui gli stati eccitati decadono dopo essere stati colpiti da un impulso laser, i ricercatori hanno osservato che il materiale teso sulla bolla ricombinava la sua energia più velocemente rispetto al materiale non teso. Questo decadimento più rapido indicava che l'ambiente teso stava aiutando gli eccitoni a rilasciare la loro energia sotto forma di luce in modo più efficiente. Calcoli teorici hanno supportato queste scoperte, mostrando che lo stretching riduceva il divario energetico tra gli stati elettronici del materiale e aumentava la forza dei momenti di dipolo, che sono i motori fondamentali dell'emissione di luce.

Questo lavoro dimostra che una minuscola quantità di deformazione meccanica, applicata in modo controllato, può essere uno strumento potente per migliorare le prestazioni dei materiali bidimensionali. I ricercatori hanno dimostrato che semplicemente posizionando uno stack di strati atomici su una piccola bolla, potevano creare una regione localizzata in cui l'emissione di luce è significativamente potenziata. I risultati suggeriscono che questo approccio potrebbe essere scalato o perfezionato per creare dispositivi emettitori di luce più efficienti. Poiché l'effetto dipende dall'interazione tra gli strati, i ricercatori hanno notato che l'uso di materiali che assorbono più luce fin dall'inizio potrebbe portare a guadagni ancora maggiori. Lo studio fornisce un percorso chiaro e pratico per gli ingegneri per modulare le proprietà ottiche di questi materiali senza una fabbricazione complessa, aprendo nuove possibilità per le future applicazioni optoelettroniche.