Обнаружен экситон, который никогда еще не удавалось наблюдать экспериментально

Ведущие российские ученые в области фотоники и двумерных материалов из МФТИ, Международного центра физики Доностии (Donostia International Physics Center, Испания) и Технического университета Чалмерса (Chalmers University of Technology, Швеция) определили оптические свойства двумерного полупроводника толщиной в единичный слой атомов молибдена и серы и обнаружили «темный» экситон, который ранее никому не удавалось наблюдать экспериментально. Данный переход позволяет определять даже небольшие количества органических веществ, что делает его привлекательным для создания биосенсоров.

С момента открытия миру первого двумерного материала — графена — прошло 16 лет. Сегодня ученым известны более сотни других двумерных материалов, которые обладают не менее удивительными свойствами, чем графен. В 2010 году за передовые исследования свойств графена выпускники Московского физико-технического института (МФТИ) Андрей Гейм и Константин Новоселов удостоены Нобелевской премии по физике. С тех пор интерес к двумерным материалам только растет: опубликовано более 200 тыс. публикаций и зарегистрировано более 50 тыс. патентов.

Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Испании и Швеции взялись за изучение третьего по популярности двумерного материала после графена и нитрида бора — атомарного дисульфида молибдена (MoS2), типичного представителя новых двумерных материалов — дихалькогенидов переходных металлов. Они являются полупроводниками с огромным поглощением, превышающим 20% в видимой части спектра (для одного атомарного слоя материала!), в отличие от металлического графена с поглощением всего в 2,3%. Благодаря этому атомарный дисульфид молибдена считается перспективной платформой для создания действительно наноразмерных оптических и оптоэлектронных устройств. Например, недавно из этого материала ученые создали высокоэффективные плоские линзы атомарной толщины. При этом до настоящего времени оптические свойства этого материала оставались неизвестными для большей части ближнего инфракрасного диапазона частот, а в видимой области спектра данные разных авторов имели заметные отличия.

Российским ученым удалось определить вклад различных механизмов поглощения в оптическом спектре, которые связаны с множеством электронных переходов в дисульфиде молибдена. Благодаря ограниченной толщине материала, всего 0,65 нм, при поглощении фотона образуется экситонная квазичастица — связанная пара электрона и дырки, что и обуславливает сильное взаимодействие света с веществом и является основой для множества практических приложений данного материала, например, для компактных светодиодов, однофотонных источников и даже экситонных транзисторов.

«Монослой дисульфида молибдена поддерживает пять экситонных переходов, и определить вклад отдельного экситона, который отвечает за работу того или иного устройства,— это непростая задача. Чтобы ее решить, мы использовали модель Тауха—Лоренца для анализа оптического спектра. Данная модель ранее использовалась для описания отклика аморфных полупроводников. Оказалось, что она отлично работает и для случая определения и разделения экситонных откликов»,— объяснил Георгий Ермолаев, аспирант МФТИ и первый автор исследования. Примененный учеными анализ позволил экспериментально продемонстрировать, что при нанесении органических молекул на поверхность дисульфида молибдена происходит теоретически предсказанная, но экспериментально ранее никем не наблюдаемая трансформация темного экситона, не возбуждаемого светом, в светлый, возбуждаемый светом экситон. Это неожиданное открытие стимулировало ученых к разработке химических и биологических сенсоров на основе данного перехода.

«Наши данные можно считать эталонными, они включены в справочники оптических свойств материалов. Оказалось, что дисульфид молибдена обладает очень высоким показателем преломления (около 4) при нулевых оптических потерях в телекоммуникационном диапазоне длин волн, что позволяет использовать его для изготовления компактных оптических межсоединений на верхнем уровне интегральных схем, что делает возможным увеличение количества волноведущих устройств для приема и передачи информации»,— комментирует Алексей Арсенин, ведущий научный сотрудник МФТИ.

Работа выполнена под руководством профессора Валентина Волкова, который в сентябре 2019 года переехал из Университета Южной Дании в МФТИ, где возглавил Центр фотоники и двумерных материалов: «Изначально мы не ожидали от этой работы чего-то более чем просто уточнения оптических свойств одного из наиболее популярных двумерных материалов. Однако наша работа совершенно по-новому открывает новый класс двумерных материалов для нанофотоники. Дальнейшие исследования мы продолжаем в сотрудничестве с нобелевским лауреатом Константином Новоселовым и уже обнаружили рекордную оптическую анизотропию для всех известных материалов».

По материалам статьи Broadband optical properties of monolayer and bulk MoS2; Georgy A. Ermolaev, Yury V. Stebunov, Andrey A. Vyshnevyy, Dmitry E. Tatarkin, Dmitry I. Yakubovsky, Sergey M. Novikov, Denis G. Baranov, Timur Shegai, Alexey Y. Nikitin, Aleksey V. Arsenin & Valentyn S. Volkov; журнал npj 2d materials and applications (Springer Nature), июль 2020 г

Георгий Ермолаев, Московский физико-технический институт, Центр фотоники и двумерных материалов