Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) hebben een nieuwe methode ontdekt om defecten in optische materialen van de volgende generatie te passiveren om de optische kwaliteit te verbeteren en de miniaturisering van lichtemitterende diodes en andere optische elementen mogelijk te maken.

"Vanuit een scheikundig oogpunt, we hebben een nieuwe fotokatalytische reactie ontdekt met laserlicht en watermoleculen, wat nieuw en opwindend is, " zei Saujan Sivaram, doctoraat, hoofdauteur van de studie. "Vanuit een algemeen perspectief, dit werk maakt de integratie mogelijk van hoogwaardige, optisch actief, atomair dun materiaal in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals elektronica, elektrokatalysatoren, geheugen, en kwantumcomputertoepassingen."

De NRL-wetenschappers ontwikkelden een veelzijdige laserverwerkingstechniek om de optische eigenschappen van monolaag molybdeendisulfide (MoS ₂ ) - een halfgeleider met directe opening - met een hoge ruimtelijke resolutie. Hun proces produceert een 100-voudige toename van de optische emissie-efficiëntie van het materiaal in de gebieden die met de laserstraal worden "geschreven".

Volgens Sivaram, atomair dunne lagen van overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's), zoals MoS ₂ , zijn veelbelovende componenten voor flexibele apparaten, zonnepanelen, en opto-elektronische sensoren vanwege hun hoge optische absorptie en directe bandafstand.

"Deze halfgeleidende materialen zijn vooral voordelig in toepassingen waar gewicht en flexibiliteit een premie zijn, "zei hij. "Helaas, hun optische eigenschappen zijn vaak zeer variabel en niet-uniform, waardoor het van cruciaal belang is om de optische eigenschappen van deze TMD-materialen te verbeteren en te controleren om betrouwbare, zeer efficiënte apparaten te realiseren."

"Defecten zijn vaak schadelijk voor het vermogen van deze monolaagse halfgeleiders om licht uit te stralen, "Sivaram zei. "Deze defecten fungeren als niet-stralingsvaltoestanden, warmte produceren in plaats van licht, daarom, het verwijderen of passiveren van deze defecten is een belangrijke stap in de richting van opto-elektronische apparaten met een hoog rendement."

Bij een traditionele LED, ongeveer 90 procent van het apparaat is een koellichaam om de koeling te verbeteren. Minder defecten zorgen ervoor dat kleinere apparaten minder stroom verbruiken, wat resulteert in een langere levensduur voor gedistribueerde sensoren en elektronica met laag vermogen.

De onderzoekers toonden aan dat watermoleculen de MoS . passiveren ₂ alleen bij blootstelling aan laserlicht met een energie boven de band gap van de TMD. Het resultaat is een toename van fotoluminescentie zonder spectrale verschuiving.

Behandelde gebieden behouden een sterke lichtemissie in vergelijking met de onbehandelde gebieden die een veel zwakkere emissie vertonen. Dit suggereert dat het laserlicht een chemische reactie veroorzaakt tussen de gasmoleculen in de omgeving en de MoS ₂ .

"Dit is een opmerkelijke prestatie, zei Berend Jonker, doctoraat, senior wetenschapper en hoofdonderzoeker. "De resultaten van deze studie effenen de weg voor het gebruik van TMD-materialen die cruciaal zijn voor het succes van opto-elektronische apparaten en relevant zijn voor de missie van het ministerie van Defensie."