El confinamiento cuántico de electrones es la base de muchos dispositivos, desde láseres de cascada cuántica hasta emisores de fotones individuales. Por lo general, se crea deliberadamente cultivando películas delgadas o heteroestructuras. En materiales laminares como el MoS2, los pozos cuánticos surgen naturalmente al reducir el número de capas. Sin embargo, en cristales masivos no se esperan: los estados electrónicos deberían ser tridimensionales. Este trabajo muestra que incluso en una muestra masiva, después de la exfoliación mecánica puede quedar un fragmento delgado desprendido que se comporta como un pozo cuántico. Esto conecta el tema con investigaciones sobre la topología de la estructura de bandas y fenómenos cuánticos en materiales laminares, donde tales efectos suelen buscarse en monocapas o heteroestructuras.
Muestras de MoS2 sintético dopado con Nb (concentración de Nb ~2×10^17 cm^-3) se exfoliaron una vez en ultra alto vacío a una presión de 5×10^-8 mbar y se transfirieron inmediatamente a la cámara de ARPES. Las mediciones se realizaron en el sincrotrón SOLARIS (Cracovia, Polonia) en la línea URANOS a una temperatura de 110 K con energías de fotones de 40, 50, 70 y 100 eV. Para realzar características débiles se aplicó el método de curvatura, que no desplaza las posiciones de los picos. Además, se realizaron cálculos DFT con el paquete QUANTUM ESPRESSO, utilizando el funcional PBE y la corrección de van der Waals de Grimme D3. Se modelaron losas de 19 capas de MoS2 con un espacio de vacío de 30 Å, así como con la separación de las tres o cuatro capas superiores a distancias de 0,5, 1 y 2 Å del volumen.
En el punto Γ, bajo la parábola de la banda de valencia masiva, se encontraron estados discretos adicionales. Su energía no cambia al variar la energía de los fotones de 40 a 100 eV, lo que demuestra la ausencia de dispersión en kz y, por tanto, un confinamiento cuántico vertical. El número de estados varía de 1 a 8 en diferentes muestras. El intervalo de energía entre estados adyacentes disminuye al aumentar el número de estados, y la dependencia de la energía con el número n es lineal, no cuadrática. Esto excluye la formación de un gas de electrones bidimensional e indica un potencial de pozo parabólico. El ancho del pozo L se estima a partir del número de estados: L ≈ 0,615·n_max nm, lo que da un rango de 0,6 nm (n_max=1) a 4,9 nm (n_max=8). Los cálculos DFT muestran que al separar las tres capas superiores del volumen a una distancia de 1–2 Å, las energías de los tres QCS correspondientes se desplazan y aumentan en peso espectral, lo que concuerda con el experimento.
Este trabajo demuestra por primera vez que la exfoliación mecánica del MoS2 masivo puede crear involuntariamente pozos cuánticos a partir de multicapas desprendidas. Esto explica la aparición previamente observada, pero mal interpretada, de estados adicionales en los espectros ARPES. A diferencia de estudios vecinos donde los pozos cuánticos se crean mediante crecimiento controlado de películas delgadas o heteroestructuras, aquí los pozos surgen espontáneamente debido a los débiles enlaces de van der Waals. El resultado es importante para la interpretación de datos de fotoemisión de materiales laminares masivos: las características observadas pueden no ser defectos, sino manifestaciones de confinamiento cuántico. También abre un camino simple para crear pozos cuánticos sin epitaxia compleja.
Se podría intentar controlar el grosor de la multicapa desprendida variando la fuerza y el método de exfoliación, o transfiriendo un número determinado de capas a un sustrato. Sería interesante investigar las transiciones intersubbanda en tales pozos para aplicaciones ópticas, ya que el potencial parabólico produce niveles equiespaciados. También es prometedor estudiar cómo afectan a los QCS el dopaje, la deformación y la temperatura. Es posible que pozos similares aparezcan en otros materiales laminares, como WSe2 o fósforo negro.
El resultado influirá en la interpretación de los datos ARPES de dicalcogenuros de metales de transición masivos y otros materiales laminares. También puede ser útil en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos basados en MoS2, donde los pozos cuánticos se utilizan para ajustar los niveles de energía.
Realizar un estudio sistemático de la dependencia del número de QCS con los parámetros de exfoliación (fuerza, velocidad, ángulo) y con el grosor inicial del cristal. Medir las transiciones intersubbanda mediante métodos ópticos y compararlas con los cálculos.
El trabajo aborda el problema fundamental del control del confinamiento cuántico en materiales laminares, donde aún no existe una forma fiable de predecir cuántas capas quedarán después de la exfoliación. Esto está relacionado con el problema más general de controlar las propiedades electrónicas mediante la dimensionalidad y las interfaces.
El ancho mínimo del pozo cuántico fue de 0,6 nm, comparable al diámetro de una molécula de ADN (alrededor de 2 nm), pero en él cabe solo una capa de MoS2.