Ученые нашли новый механизм фотопроводимости

Исследовательская группа Гарварда, Массачусетского технологического института и ученых из Тайваня обнаружила, что воздействие света на двумерные полупроводники может снизить их проводимость.

Новый нетрадиционный механизм фотопроводимости может привести к экситонным устройствам следующего поколения. Явление было обнаружено в экзотических двумерных полупроводниках: дисульфиде молибдена (MoS 2), толщиной в три атома.

Ученые обнаружили, что при облучении интенсивными лазерными импульсами, в однослойном MoS 2, проводимость снижается приблизительно до одной трети от первоначальной.

В полупроводнике под действием света, его проводимость имеет тенденцию к увеличению. Происходит это потому что поглощение света генерирует пар сыпучих электронов и дырок. Это явление стало основой для разработки и оптимизации оптоэлектронных устройств, таких как солнечные батареи, цифровые камеры и других приемников света.

Однако команде ученых удалось наблюдать противоположное поведение в двумерном полупроводнике. Физик Joshua Lui: «Атомарно тонкие слоистые кристаллы были предметом интенсивных исследований в последние годы. Одним из замечательных свойств этих материалов является сильная локализация носителей заряда в двумерной плоскости. … Как следствие, электростатические взаимодействия между носителями заряда проявляются гораздо сильнее, чем в трехмерных телах».

Взаимодействия в однослойном MoS 2 настолько сильны, что экситоны могут захватить дополнительные свободные электроны в материале и образуют связанные состояния с двумя электронами и одним отверстием.

Lui объясняет: «Эти сложные частицы называются трионы. Они аналогичны отрицательно заряженным ионам водорода, которые состоят из двух электронов и одного протона. В однослойном MoS 2, трионы имеют одинаковый заряд, как у электрона, но массу примерно в три раза больше массы электрона. Из-за более тяжелой массы притупляется их реакция на электрическое поле, и проводимость материал снижается».

Вместо увеличения популяции свободных зарядов, свет фактически преобразует исходные свободные электроны в более тяжелые трионы с той же плотностью заряда. Это является причиной снижения проводимости однослойных MoS 2 при воздействии светом. Физик добавил: «Несмотря на то, отрицательная фотопроводимость наблюдалась в некоторых полупроводниковых системах, она всегда возникала от внешних факторов, таких как дефекты. В данном случае, это внутреннее свойство кристалла».

По словам первооткрывателей, кроме MoS 2, который принадлежит к семейству новых двумерных полупроводников, «есть и другие типы двумерных материалов с аналогично сильным трионическим эффектом. Они, вероятно, продемонстрируют то же самое явление фотопроводимости».