اکسیتون های تاریک در کانون توجه قرار گرفتند – ScienceDaily


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 تحولی در تحقیقات نیمه هادی ها و اکسیتون های دو بعدی ایجاد کند ، که پیامدهای عمیقی برای دستگاه های فن آوری آینده دارد ، از سلول های خورشیدی و LED گرفته تا تلفن های هوشمند و لیزر.

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 “حفره” در سطح انرژی که الکترون قبلاً در آن قرار داشت ، پشت سر می گذارند.

پروفسور كشاو دانی ، رئیس واحد طیف سنجی فمتوثانیه در م Instituteسسه علم و فناوری اوكیناوا (OIST) ، نویسنده ارشد ، توضیح داد: “سوراخ ها فقدان یك الکترون هستند و از این رو بار مخالف آنها را با خود حمل می كنند.” آنها به هم متصل می شوند و باعث ایجاد اکسیتون می شوند ، 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 زیادی در سراسر جهان با هدف استفاده از آنها برای ایجاد دستگاه های الکترونیکی جدید انجام شده است.” . “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 ای هستند که الکترونها در آن متصل می شوند ، چگونه کار می کند.

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 مواد به بیرون پرواز می کنند ، دانشمندان می توانند حرکت اولیه الکترون ها را زمانی که بخشی از اکسیتون ها بودند ، تعیین کنند. بنابراین ، دانشمندان نه تنها قادر به دیدن هستند ، بلکه اکسیتون های روشن را از اکسیتون های تاریک نیز تشخیص خواهند داد.

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 باید 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 ، اکسیژن های ما بیشتر روی صفحه 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. علاوه بر این ، تیم یادآور شد که تحت شرایط خاص ، به عنوان الکترونهای تحریک شده در مواد پراکنده می شوند و اینرسی را تغییر می دهند ، اکسیتون ها می توانند بین روشن یا تاریک تغییر کنند.

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 تکنیک یک موفقیت واقعی است “، نتیجه گیری پروفسور دنی.” 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. “


منبع: khabar-erfan.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*