Wanneer wetenschappers individuele atomen in een halfgeleidermateriaal verwijderen, de resulterende vacatures worden puntdefecten. In tegenstelling tot wat hun naam doet vermoeden, deze defecten kunnen gunstige effecten hebben op de eigenschappen van de halfgeleider en maken de meeste functionaliteiten van elektronische materialen mogelijk. In een nieuwe studie, onderzoekers hebben aangetoond dat puntdefecten in 2D-halfgeleiders resulteren in een toename van de totale fotoluminescentie-intensiteit bij kamertemperatuur. Verder, de defecten creëren een nieuwe emissiepiek die zou kunnen leiden tot een beter begrip van de defectfysica in 2D-halfgeleiders en toekomstige toepassingen zoals meerkleurige lichtemitterende apparaten.

De onderzoekers, onder leiding van Sefaattin Tongay, Joonki Suh, en J. Wu, aan de Universiteit van Californië, Berkeley, de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, en MIT, hebben hun paper over de effecten van puntdefecten op 2D-halfgeleiders gepubliceerd in een recent nummer van Nature's Wetenschappelijke rapporten .

"Typisch, gebreken in materialen worden beschouwd als iets niet gewenst, " vertelde Tongay Phys.org . "Integendeel, de meeste functionaliteiten van de materialen worden mogelijk gemaakt door verschillende onvolkomenheden zoals defecten. In dit werk, we laten zien dat het engineeren van de defecten in tweedimensionale materialen ons in staat stelt een ander kanaal voor lichtemissie te creëren en ook de lichtemissie te verbeteren.

"Dit wordt waarschijnlijk een mijlpaal in het veld. Wij wetenschappers wisten niet hoe we defecten moesten observeren met optische methoden, en hier hebben we de eerste handtekeningen van defecten in 2D-halfgeleiders gevonden. Dat is spannend. Blijkbaar, defecten zijn een andere manier om de eigenschappen van het materiaal on-demand af te stemmen/activeren."

Hoewel de fysica van puntdefecten in 3D-halfgeleiders uitgebreid is bestudeerd, er is veel minder bekend over puntdefecten in de meer recent ontwikkelde 2D-halfgeleiders. De laagdimensionale elektronische systemen zijn zeer gevoelig voor wanorde en onvolkomenheden. Bij 2D-halfgeleiders, deze neiging zal naar verwachting een sterke invloed hebben op elektronische en excitonische processen. Een voorbeeld van zo'n type nieuw opkomende 2D-halfgeleider is monolaag overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's). Omdat TMD's directe bandgaps hebben, wat betekent dat elektronen direct fotonen kunnen uitzenden, het zijn veelbelovende lichtgevende materialen.

Hier, de wetenschappers ontdekten dat het verwijderen van chalcogeen (zwavel) atomen uit een 0,7 nm dik monster van de TMD MoS ₂ verandert de optische eigenschappen aanzienlijk. Naarmate het aantal defecten in het materiaal toeneemt, de algehele helderheid van het licht dat door het materiaal wordt uitgestraald, neemt toe. Dit licht heeft een fotoluminescentiepiek bij 1,90 eV, die de golflengte en kleur bepaalt. Maar de defecten creëerden ook een nieuwe fotoluminescentiepiek bij 1,78 eV.

De wetenschappers ontdekten dat deze lagere energiepiek het fotoluminescentiespectrum domineert bij lage temperaturen, en wordt zwakker naarmate de temperatuur stijgt totdat deze volledig verdwijnt boven 250 K (-23 °C). Echter, op kamertemperatuur, de aanwezigheid van dergelijke defecten verhoogt de lichtemissie. Deze observatie druist in tegen de conventionele wijsheid op het nieuwe gebied van 2D-halfgeleiders, dat is geweest dat optische emissie-intensiteit bij kamertemperatuur voldoende criteria is voor het beoordelen van de kristalkwaliteit van 2D-halfgeleiders; de resultaten hier suggereren dat beoordelingen van kristalkwaliteit fotoluminescentiemetingen bij lage temperatuur moeten omvatten.

De wetenschappers toonden ook aan dat leegstandsdefecten vergelijkbare effecten hebben op de optische eigenschappen van twee andere TMD's, MoSe ₂ en WSe ₂ . Deze resultaten geven aan dat de effecten van puntdefecten waarschijnlijk universeel zijn in andere 2D-halfgeleiders, ook.

De onderzoekers stellen voor dat het onderliggende mechanisme van deze effecten afhangt van de interactie van de defectlocaties met stikstofgas in de lucht. in vacuüm, de defecten hadden geen effect op de optische eigenschappen van de TMD's. De wetenschappers leggen uit dat N ₂ moleculen in de lucht kunnen vrije elektronen uit het materiaal afvoeren op de defectlocaties, wat resulteert in een groter aandeel vrije excitonen (elektronen gebonden aan gaten) in het materiaal. Een deel van de vrije excitonen wordt dan gevangen en gebonden door de defecte vacatures, gebonden excitonen vormen. Eventueel, zowel vrije als gebonden excitonen recombineren radiatief en leveren twee verschillende lichtemissiepieken op bij 1,90 eV (~ 650 nm) en 1,78 eV (~ 700 nm), respectievelijk.

Omdat onderzoekers deze defecten kunnen creëren door bestraling of thermisch uitgloeien, de defectdichtheid - en de resulterende veranderingen in de optische eigenschappen van het materiaal - kunnen worden gecontroleerd via defect-engineering. Dit vermogen zou kunnen leiden tot de productie van 2D-halfgeleiders met meerdere bandgaps, meerkleurige apparaten voor lichtemissie, en optische gassensoren, onder andere toepassingen.

"Met een slim ontwerp, puntdefecte 2D-halfgeleiders vertonen mogelijk betere materiaalprestaties, die kan worden gerealiseerd door defectfysica in 2D-systemen bloot te leggen, "Zei Suh. "Dat is het uiteindelijke doel van ons team!"

© 2013 Phys.org