(Phys.org) —De vermelding van een tweedimensionaal materiaal met uitstekende elektrische en optische eigenschappen doet misschien eerst denken aan grafeen. Echter, deze beschrijving past ook bij een andere klasse materialen die overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) worden genoemd. Hoewel TMD's in bulkvorm al tientallen jaren worden bestudeerd - voordat grafeen zelfs maar werd ontdekt - zijn ze pas recentelijk geïsoleerd tot monolagen. Met recente vorderingen in de karakterisering van nanomaterialen, wetenschappers hebben het potentieel van monolaag TMD's in toepassingen zoals LED's, optische energieomzetting, en andere 2D-opto-elektronicatechnologieën.

Monolayer TMD's zijn directe bandgap halfgeleiders en, om die reden, naar verwachting goede lichtzenders zijn. Maar tot nu toe, monolaag TMD's hebben alleen licht uitgestraald bij lage intensiteiten en lage efficiënties. En omdat de onderliggende fysica van monolaag TMD-lichtemissie ongrijpbaar is gebleven, wetenschappers vonden het moeilijk om verbeteringen aan te brengen.

Nu een nieuwe studie uitgevoerd door onderzoekers van de Materials Science and Engineering-afdelingen van de Universiteit van Californië, Berkeley, en MIT, evenals van het Instituut voor Halfgeleiders van de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, China, heeft een verhoging van de lichtemissie-intensiteit van TMD's met een factor 100 aangetoond. De studie is gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

"De betekenis van dit werk is de demonstratie en het begrip van de lichtmodulatie door moleculaire en elektrische poorten, " co-auteur Sefaattin Tongay, een postdoctoraal onderzoeker aan Berkeley, vertelde Phys.org . "We hebben een gedetailleerd begrip van de waargenomen modulatie gepresenteerd en opmerkelijke lichtemissie-intensiteiten bereikt. Deze resultaten hebben een verreikende impact in het veld, omdat monolaag TMD's een grote oppervlakte-tot-volumeverhouding hebben en daarom erg gevoelig zijn voor omgevingscondities. Onze resultaten bewijzen een gedetailleerd begrip van veranderingen in de optische eigenschappen veroorzaakt door de interactie tussen gasmoleculen en monolaag TMD's. Hier, we profiteren van deze eigenschap en moduleren de lichtemissie omkeerbaar tot 100 keer door eenvoudige gas- en elektrische poortmethoden."

In tegenstelling tot grafeen, dat een organisch materiaal is dat uitsluitend uit koolstofatomen bestaat, de TMD's die de wetenschappers hier hebben bestudeerd, zijn anorganische materialen waarbij elk molecuul is gemaakt van één overgangsmetaal en twee chalcogeniden. Hun chemische formule is MX ₂ , met veel voorkomende voorbeelden MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ en WSe ₂ .

In hun experimenten, de onderzoekers maakten eerst monolaag MoS ₂ vlokken die slechts 0,7 nm waren, of drie atomen, dik. Vervolgens, om de vlokken gevoeliger te maken voor gasmoleculen, de onderzoekers gloeiden de vlokken uit door ze bij hoge temperatuur in een vacuümkamer te plaatsen. Na het gloeien, de monolaag vlokken werden blootgesteld aan verschillende soorten gassen bij gecontroleerde gasdrukken.

Bij blootstelling aan H ₂ O, O ₂ , of H ₂ O en O ₂ samen, de lichtemissie-intensiteit van de MoS2-vlokken verhoogd met 10, 35, en 100 keer, respectievelijk. De onderzoekers zagen niet dezelfde verbetering in een inert gas (N ₂ en Ar) omgeving, wat suggereert dat het effect direct gerelateerd lijkt te zijn aan de interactie tussen de O ₂ en H ₂ O en de monolaag TMD.

De onderzoekers ontdekten ook dat het effect volledig omkeerbaar is wanneer het gas uit de kamer wordt gepompt, op dat moment keert de intensiteit onmiddellijk terug naar de oorspronkelijke waarde. Zoals de wetenschappers opmerkten, omkeerbare lichtemissie-intensiteit is een belangrijk criterium voor verschillende optische toepassingen. De omkeerbaarheid suggereert ook dat de O ₂ en H ₂ O-moleculen worden eerder gefysisorbeerd dan chemisch gesorbeerd op het MoS2-oppervlak. Als fysiek geabsorbeerde moleculen, de moleculaire structuur blijft ongewijzigd, in tegenstelling tot chemisch geabsorbeerde moleculen.

Nog interessanter, de onderzoekers ontdekten dat terwijl MoSe ₂ vertoont vergelijkbare gasgevoeligheid als MoS ₂ , WSe ₂ vertoont het tegenovergestelde gedrag; dat is, de intensiteit van de lichtemissie neemt af bij blootstelling aan O ₂ en/of H ₂ O.

Deze waarnemingen, samen met simulaties, stelden de onderzoekers in staat een fysiek mechanisme voor te stellen om het effect te verklaren. Ze denken dat, wanneer de gasmoleculen worden gefysisorbeerd op de MoS ₂ (of MoSe ₂ ) oppervlakte, een deel van de vrije elektronen van het oppervlak wordt overgebracht naar de gasmoleculen, uitputting van de MoS ₂ (of MoSe ₂ ) van zijn vrije elektronen. Normaal gesproken, de excitonen in het oppervlak zouden worden gebonden aan elektronen en negatief geladen 'trions' worden. Maar zonder de overtollige vrije elektronen, de excitonen blijven neutraal en stabiel, het bevorderen van een intensere lichtemissie.

"Deze [modulatie] is mogelijk voor het systeem dat we hebben bestudeerd vanwege zijn tweedimensionale aard, die niet alleen de maximale oppervlakte-tot-volumeverhouding geeft (dus maximale oppervlakteplaatsen om te interageren met gasmoleculen), maar beperkt ook elektronen in die mate dat de interacties tussen elektronen aanzienlijk worden verbeterd, gaten en licht, " legde co-auteur Junqiao Wu uit, een professor aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Dit mechanisme verklaart ook waarom WSe2 het tegenovergestelde gedrag vertoont als MoS ₂ en MoSe ₂ . De MoS ₂ en MoSe ₂ oppervlakken hebben in de eerste plaats vrije elektronen omdat ze beide n-type gedoteerde halfgeleiders zijn. WSe ₂ , anderzijds, is een p-getypeerde gedoteerde halfgeleider en heeft vrije gaten in plaats van elektronen. Dus voor WSe ₂ , de O ₂ en/of H ₂ O gasmoleculen zorgen ervoor dat de gaten zich ophopen, in plaats van uitgeput te raken, op de WSe ₂ oppervlakte. Als resultaat, de WSe ₂ bevat nog meer trionen dan voordat het werd blootgesteld aan de gasmoleculen, waardoor de intensiteit van de lichtemissie afneemt.

De onderzoekers toonden ook vergelijkbare lichtemissiemodulatie aan in elektrisch gepoorte apparaten in een gecontroleerde gasomgeving. Echter, de modulatie was in dit geval verwaarloosbaar wanneer het apparaat in vacuümomstandigheden werkte. De bevinding suggereert dat elektrische poorten ook de lichtemissie kunnen moduleren door de gasfysisorptie op monolaag-TMD's te regelen.

Het vermogen om de lichtemissie-intensiteit van halfgeleidende TMD's omkeerbaar te regelen door de gasdruk en elektrische poorten te regelen, zou verreikende effecten kunnen hebben op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie, optiek, materiaalkunde en techniek, en elektronica. De onderzoekers voorspellen dat, met het nieuwe begrip van hoe de interactie tussen gas en monolaag TMD's de optische eigenschappen van TMD's beïnvloedt, verdere verbeteringen in de lichtemissie-intensiteit kunnen worden bereikt. Bijvoorbeeld, experimenteren met verschillende gasmoleculen, het modificeren van het monolaagoppervlak met chemische middelen die de gevoeligheid voor gasmoleculen verhogen, en het opzettelijk creëren van puntdefecten in de monolaag om fysisorptie te bevorderen, zou de lichtemissie-intensiteit verder kunnen verbeteren, waardoor monolaag TMD's nog geschikter worden voor opto-elektronica toepassingen.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om te werken aan de ontwikkeling van nieuwe materialen met ongebruikelijke eigenschappen door hun fysieke eigenschappen te ontwikkelen, zoals ze hier deden.

"We zullen de effecten van eventuele onvolkomenheden in het algemeen in dergelijke tweedimensionale halfgeleiders bestuderen, inclusief atoomdefecten, substraat effecten, evenals interacties met molecuuladsorbaten, ' zei Wu.

© 2013 Phys.org