(Phys.org) —Van supersmeermiddelen, naar zonnecellen, naar de jonge technologie van valleytronics, er is veel om enthousiast over te zijn met de ontdekking van een unieke nieuwe tweedimensionale halfgeleider, reniumdisulfide, door onderzoekers van Berkeley Lab's Molecular Foundry. reniumdisulfide, in tegenstelling tot molybdeendisulfide en andere dichalcogeniden, gedraagt ​​zich elektronisch alsof het een 2D-monolaag is, zelfs als een 3D-bulkmateriaal. Dit opent niet alleen de deur naar 2D elektronische toepassingen met een 3D-materiaal, het maakt het ook mogelijk om 2D-fysica te bestuderen met eenvoudig te maken 3D-kristallen.

"Rheniumdisulfide blijft een halfgeleider met directe bandgap, de fotoluminescentie-intensiteit neemt toe terwijl het Raman-spectrum onveranderd blijft, zelfs met de toevoeging van steeds meer lagen, " zegt Junqiao Wu, een fysicus bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die deze ontdekking leidde. "Dit maakt bulkkristallen van rheniumdisulfide een ideaal platform voor het onderzoeken van 2D-excitonische en roosterfysica, het omzeilen van de uitdaging van het voorbereiden van grote oppervlakken, monolagen met één kristal."

Wu, die ook een professor is bij de afdeling Materials Science and Engineering van de University of California-Berkeley, stond aan het hoofd van een groot internationaal team van medewerkers die gebruik maakten van de faciliteiten van de Molecular Foundry, een nationaal nanowetenschapscentrum van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), om individuele monolagen van rheniumdisulfide te bereiden en te karakteriseren. Door een verscheidenheid aan spectroscopietechnieken, ze bestudeerden deze monolagen zowel als gestapelde multilagen als als bulkmaterialen. Hun studie onthulde dat het unieke van rheniumdisulfide voortkomt uit een verstoring in de kristalroostersymmetrie, een Peierls-vervorming genoemd.

"Halfgeleidende overgangsmetaal dichalcogeniden bestaan ​​uit monolagen die bij elkaar worden gehouden door zwakke krachten, " zegt Sefaattin Tongay, hoofdauteur van een paper waarin dit onderzoek wordt beschreven in Natuurcommunicatie waarvoor Wu de corresponderende auteur was. Het artikel was getiteld "Eenlagig gedrag in bulk ReS2 als gevolg van elektronische en trillingsontkoppeling."

"Typisch de monolagen in een halfgeleidend overgangsmetaal dichalcogeniden, zoals molybdeendisulfide, zijn relatief sterk gekoppeld, maar geïsoleerde monolagen vertonen grote veranderingen in elektronische structuur en roostertrillingsenergieën, " zegt Tongay. "Het resultaat is dat deze materialen in bulk halfgeleiders met een indirecte spleet zijn en in de monolaag een directe spleet."

Wat Tongay, Wu en hun medewerkers ontdekten in hun karakteriseringsstudies dat rheniumdisulfide zeven valentie-elektronen bevat in tegenstelling tot de zes valentie-elektronen van molybdeendisulfide en andere overgangsmetaaldichalcogeniden. Dit extra valentie-elektron voorkomt een sterke koppeling tussen de lagen tussen meerdere monolagen van rheniumdisulfide.

"Het extra elektron wordt uiteindelijk gedeeld tussen twee rheniumatomen, waardoor de atomen dichter naar elkaar toe bewegen, het vormen van quasi-eendimensionale ketens binnen elke laag en het creëren van de Peierls-vervorming in het rooster, " Zegt Tongay. "Zodra de Peierls-vervorming plaatsvindt, tussenlaagregister is grotendeels verloren gegaan, wat resulteert in een zwakke tussenlaagkoppeling en monolaaggedrag in de bulk."

De zwakke tussenlaagkoppeling van rheniumdisulfide zou dit materiaal zeer nuttig moeten maken in tribologie en andere toepassingen met lage wrijving. Omdat rheniumdisulfide ook sterke interacties vertoont tussen licht en materie die typerend zijn voor monolaagse halfgeleiders, en aangezien de bulk rheniumdisulfide zich gedraagt ​​alsof het een monolaag is, het nieuwe materiaal moet ook waardevol zijn voor zonneceltoepassingen. Het kan ook een goedkoper alternatief zijn voor diamant voor valleytronics.

In valleitronica, het golfkwantumnummer van het elektron in een kristallijn materiaal wordt gebruikt om informatie te coderen. Dit getal is afgeleid van de spin en het momentum van een elektron dat door een kristalrooster beweegt als een golf met energiepieken en -dalen. Het coderen van informatie wanneer de elektronen zich in deze minimale energievalleien bevinden, biedt een veelbelovende potentiële nieuwe route naar kwantumcomputing en ultrasnelle gegevensverwerking.

"Rheniumatomen hebben een relatief groot atoomgewicht, wat betekent dat de elektron-spin-baan interacties significant zijn, ", zegt Tongay. "Dit zou van rheniumdisulfide een ideaal materiaal kunnen maken voor valleytronics-toepassingen."

De samenwerking zoekt nu naar manieren om de eigenschappen van rheniumdisulfide in zowel monolaag- als bulkkristallen af ​​te stemmen door kunstmatige defecten in het rooster en selectieve doping. Ze zijn ook van plan om rheniumdisulfide te legeren met andere leden van de dichalcogenide-familie.