Dinâmica de éxcitons no vale de heteroestruturas de van der Waals formada por Dicalcogenetos de Metais de Transição (DMTs-2H)

Abstract

Os dicalcogenetos de metais de transição (DMTs) bidimensionais (2D), com fórmula geral MX2, onde M=W/Mo e X=S/Se/Te constituem uma plataforma ideal para a exploração e o controle de propriedades físicas da matéria na nanoescala, abrindo novos horizontes para aplicações em dispositivos eletrônicos e fotônicos. Esses materiais são encontrados na natureza na forma tridimensional (3D, bulk) e, semelhante ao grafeno, podem ser sintetizados em camadas de espessura atômica (quase bindimensional), possibilitando o acesso a fenômenos originários do confinamento quântico próprio de materiais em baixa dimensionalidades. Monocamadas de DMTs possuem características semicondutoras e apresentam gap direto nos pontos não equivalentes K e K’ da zona de Brillouin. Devido ao confinamento espacial e à blindagem dielétrica reduzida, esses materiais possuem forte interação Coulombiana, de modo que o espectro de fotoluminescência é dominado por pares de elétrons e buracos fortemente ligados (éxcitons). Além disso, a assimetria de inversão temporal e o forte acoplamento spin-órbita (ASO) possibilitam a excitação seletiva dos vales via luz circularmente polarizada e, consequentemente, o acoplamento dos graus de liberdade do spin e do pseudo spin do vale. Essas propriedades favorecem o controle da dinâmica de éxcitons no vale da nano estrutura (monocamada, bicamada e heterobicamadas) o que gera novas perspectivas para aplicações na valetrônica e spintrônica. Os estudos sobre essa subárea da matéria condensada carecem ser aprofundados, afim de superar alguns desafios que ainda persistem, como os curtos tempos de vida dos éxcitons e da coerência dos vales (da ordem de ps), gerados pela forte hibridização entre as funções de onda de elétrons e buracos. No entanto, em estudos recentes têm-se observado a possibilidade de formação de éxcitons intercamadas, tanto em bicamadas quanto em heteroestruturas, herdando os graus de liberdade de spin e vale de éxcitons intra camadas nas monocamadas de DMTs. Essa nova espécie excitônica apresenta tempos de recombinação e de espalhamento intervales, muito maiores o que os tempos característicos dos éxcitons intra camada. Enquanto as monocamadas de TMDs já foram extensivamente estudadas, as heteroestruturas ainda são pouco exploradas, conferindo, portanto, uma grande motivação para a nossa pesquisa. Nesse contexto, propomos um modelo teórico capaz de descrever a dinâmica de éxcitons nos vales de uma heteroestrutura de van der Waals formada por WS2/MoS2. O nosso modelo nos permitiu aprofundar o entendimento sobre os mecanismos de espalhamento de éxcitons intercamda através do estudo das propriedades de emissão, com o espectro de fotoluminescência (PL) e da polarização do vale (VP).