Desde su descubrimiento en 2014, el fosforeno, una capa de átomos de fósforo de un solo átomo de espesor, ha intrigado a los científicos, debido a su anisotropía optoelectrónica única. En otras palabras, los electrones interactúan con la luz y se mueven en una sola dirección.La anisotropía significa que, a pesar de ser bidimensional 2D, el fosforeno muestra una mezcla de propiedades que se encuentran tanto en materiales unidimensionales 1D como en 2D. Los científicos creen que la naturaleza cuasi-1D distinta del fosforeno podría explotarse para desarrollar optoelectrónicos nuevos e innovadoresdispositivos, desde LED hasta células solares.
Ahora, los científicos de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST han arrojado luz sobre cómo los excitones, un estado excitado de la materia en el núcleo de la optoelectrónica, se mueven e interactúan dentro del fosforeno.
"Debido a la anisotropía, los excitones se comportan de una manera realmente única en fosforeno en comparación con otros materiales 2D, que apenas estamos comenzando a entender", dijo Vivek Pareek, estudiante de doctorado y primer autor del estudio, publicado en Cartas de revisión física .
Los excitones se forman cuando un material absorbe un fotón de luz, lo que hace que un electrón se excite a un estado de mayor energía. Esto deja un "agujero" cargado positivamente donde el electrón solía residir en su estado de energía inicial, que es atraído porel electrón excitado cargado negativamente. El par resultante electrón-agujero unido - el excitón - puede moverse a través del material e interactuar con otros excitones.
Pero los excitones son de corta duración y, con el tiempo, los electrones excitados "vuelven a caer" en los agujeros. Para hacerlo, los excitones pueden emitir un fotón, un proceso llamado recombinación radiactiva, o pueden chocar entre sí,transfiriendo calor al material: una recombinación no radiativa llamada aniquilación excitón-excitón.
"La interacción excitón-excitón, o aniquilación, es muy diferente en los sistemas 1D y 2D", explicó Pareek. "Por lo tanto, podemos usar la aniquilación excitón-excitón como una herramienta para investigar la naturaleza de las interacciones en el fosforeno cuasi-1D".
sondeo de fosforeno
Los científicos utilizaron un láser para enviar dos pulsos de luz al fosforeno: un pulso de bomba para excitar los electrones para formar excitones, y un pulso de sonda para capturar cómo ocurrió la aniquilación excitón-excitón durante los primeros cien picosegundos, que son billonésimas deun segundo. Al cambiar la potencia del pulso de la bomba, los investigadores alteraron la densidad inicial de los excitones formados.
El equipo descubrió que a medida que aumentaba la densidad del excitón, la aniquilación excitón-excitón cambiaba de dimensión, cambiando de 1D a 2D. Los investigadores muestran que este cambio dimensional se produjo debido a las propiedades anisotrópicas del fosforeno, que surgen debido a la estructura inusual del material.Esta anisotropía hace que los excitones se muevan más rápidamente en una dirección específica a lo largo de la red y se muevan más lentamente en la otra dirección. Por lo tanto, a bajas densidades de excitones, las interacciones entre excitones ocurrieron predominantemente solo en una dimensión, en la dirección más favorable. Pero cuandola densidad del excitón aumentó, lo que resultó en distancias más pequeñas entre excitones, las interacciones comenzaron a ocurrir en ambas dimensiones
Los científicos también exploraron el efecto de la temperatura en la aniquilación de excitón-excitón. Cuando el equipo enfrió los copos de fosforeno, la aniquilación de excitón-excitón volvió de 2D a 1D, incluso a altas densidades de excitón.
"Este estudio muestra que podemos controlar si la aniquilación excitón-excitón ocurre en una o dos dimensiones, dependiendo de las condiciones que establezcamos", dijo el Dr. Julien Madéo, científico del personal de OIST y coautor del estudio. "Esto revela unnueva propiedad interesante del fosforeno, mejorando sus perspectivas como un nuevo material en dispositivos optoelectrónicos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Original escrito por Dani Ellenby. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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