揭示二维半导体中带电粒子trion的产生原理

二维半导体被誉为下一代半导体技术，其特征在于其单原子层厚度。由于其超薄结构，二维半导体表现出卓越的光学特性并提供灵活性，以及与其他材料的出色集成能力，适用于广泛的应用。利用这些属性，它们被应用于先进柔性器件、纳米光子器件和太阳能电池等不同领域。二维半导体光学特性的一个关键方面是激子的存在，激子是电子空穴对。利用这些激子的产生和重组为发光器件以及各种光学和电子应用的开发开辟了途径。另一个重要的光学现象涉及对三重子(带电激子)的精确控制。Trion 的操作为设备应用提供了多种功能。
浦项科技大学 (POSTECH) 物理系 Kyoung-Duck Park 教授和博士研究生 Mingu Kang 与蔚山国立科学技术学院化学系 Yung Doug Suh 教授合作开展的研究( UNIST)(同时也是 IBS 多维碳材料中心副主任)和忠北国立大学物理系的 Hyun Seok Lee 教授开发了具有金纳米线结构的尖端增强腔光谱系统。该系统动态地操纵激子和三重子的相互转换，允许纳米级控制和研究它们的发射特性。该方法使研究人员成功发现了trion的产生机制。
金属和半导体的集成可以导致具有独特光学和电学特性的多功能光电器件的发展。研究小组制造了金纳米线与单层二维半导体二硒化钼(MoSe 2)的混合结构。他们还通过将混合结构与尖端增强纳米光谱相结合，构建了尖端增强腔光谱系统。
激光照射到精心设计的金纳米线结构上会诱导表面等离激元驻波的形成。最初，其目的是在二维半导体中诱导激子向三重子的转换，但发现多极模式有助于转换过程。尖端增强腔光谱系统通过实现约 10 nm 的空间分辨率(超越光学衍射极限)，促进了纳米级激子和三重子光学性质的研究。该系统可以揭示三重子产生的基本原理，并能够以可逆的方式动态操纵激子-三重子相互转换。
此外，动态控制的金尖端将光集中在纳米级区域内，产生高能热电子。这些电子可以注入二维半导体中，影响三重子的产生。这种方法不仅促进了高精度测量工具的发展，能够以超高分辨率操控材料，而且促使研究人员提出了一种在纳米尺度上控制半导体中激子和三重子的新颖平台。
该研究的主要作者 Mingu Kang 表示：“我们成功演示了激子和三重子的纳米级操纵，并揭示了激子准粒子、等离子体激元和热电子之间相互作用的原理。” 他补充说：“这一突破可能为使用激子和三重子的光电器件应用开辟新途径，例如太阳能电池和光电集成电路。”
忠北国立大学物理系的 Su Jin Kim 以及浦项科技大学的综合博士生 Huitae Joo、Yeonjeong Koo 和 Hungwoo Lee 是这项研究的贡献者。该研究最近发表在国际期刊Nano Letters上，由韩国国家研究基金会、科学和信息通信技术部、电子和电信研究所、三星未来技术孵化计划、研发成果商业化促进机构赞助、韩国化学技术研究所、UNIST 和基础科学研究所 (IBS)。