(Phys.org) -De drive om ultrakleine en ultrasnelle elektronische apparaten te ontwikkelen met behulp van een enkele atomaire laag halfgeleiders, zoals overgangsmetaal dichalcogeniden, heeft een flinke boost gekregen. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben de eerste waarnemingen vastgelegd van een sterke niet-lineaire optische resonantie langs de randen van een enkele laag molybdeendisulfide. Het bestaan ​​van deze randtoestanden is de sleutel tot het gebruik van molybdeendisulfide in nano-elektronica, evenals een katalysator voor de waterstofontwikkelingsreactie in brandstofcellen, ontzwaveling en andere chemische reacties.

"We hebben sterke niet-lineaire optische resonanties waargenomen aan de randen van een tweedimensionaal kristal van molybdeendisulfide", zegt Xiang Zhang, een faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die deze studie leidde. "Deze eendimensionale randtoestanden zijn het resultaat van elektronische structuurveranderingen en kunnen nieuwe nano-elektronica en fotonische apparaten mogelijk maken. Van deze randen werd ook lang vermoed dat ze de actieve plaatsen zijn voor de elektrokatalytische waterstofevolutiereactie in energietoepassingen. We ontdekten ook buitengewone tweede harmonische lichtgeneratie-eigenschappen die kunnen worden gebruikt voor de in situ monitoring van elektronische veranderingen en chemische reacties die plaatsvinden aan de eendimensionale atomaire randen."

Zhang, die ook de Ernest S. Kuh Endowed Chair Professor bekleedt aan de University of California (UC) Berkeley en leiding geeft aan het Nano-scale Science and Engineering Center van de National Science Foundation, is de corresponderende auteur van een paper in Wetenschap dit onderzoek beschrijft. Het artikel is getiteld "Edge Nonlinear Optics on a MoS2 Atomic Monolayer." Co-auteurs zijn Xiaobo Yin, Ziliang Ye, Daniël Chenet, Ja, Kevin O'Brien en James Hone.

Opkomende tweedimensionale halfgeleiders worden in de elektronica-industrie gewaardeerd vanwege hun superieure energie-efficiëntie en het vermogen om veel hogere stroomdichtheden te dragen dan silicium. Slechts een enkele molecuul dik, ze zijn zeer geschikt voor geïntegreerde opto-elektronische apparaten. Tot voor kort, grafeen is de onbetwiste superster van 2D-materialen, maar tegenwoordig is er veel aandacht voor 2D halfgeleidende kristallen die bestaan ​​uit een enkele laag overgangsmetaalatomen, zoals molybdeen, wolfraam of niobium, ingeklemd tussen twee lagen chalcogeenatomen, zoals zwavel of selenium. Met dezelfde platte zeshoekige "honingraatstructuur" als grafeen en veel van dezelfde elektrische voordelen, deze overgangsmetaal dichalcogeniden, in tegenstelling tot grafeen, hebben directe energiebandgaps. Dit vergemakkelijkt hun toepassing in transistors en andere elektronische apparaten, met name lichtgevende dioden.

Volledige realisatie van het enorme potentieel van overgangsmetaaldichalcogeniden zal alleen komen met een beter begrip van de domeinoriëntaties van hun kristalstructuren die aanleiding geven tot hun uitzonderlijke eigenschappen. Tot nu, echter, experimentele beeldvorming van deze drie-atoom-dikke structuren en hun randen zijn beperkt tot scanning tunneling microscopie en transmissie-elektronenmicroscopie, technologieën die vaak moeilijk te gebruiken zijn. Niet-lineaire optica aan de kristalranden en -grenzen stelde Zhang en zijn medewerkers in staat een nieuwe beeldvormingstechniek te ontwikkelen op basis van lichtemissies van de tweede harmonische generatie (SHG) die de kristalstructuren en korreloriëntaties gemakkelijk kunnen vastleggen met een optische microscoop.

"Onze niet-lineaire optische beeldvormingstechniek is een niet-invasieve, snel, eenvoudige metrologische benadering van de studie van 2D-atomaire materialen, " zegt Xiaobo Yin, de hoofdauteur van de Wetenschap paper en een voormalig lid van de onderzoeksgroep van Zhang die nu op de faculteit van de Universiteit van Colorado zit, Kei. "We hoeven het monster niet voor te bereiden op een speciale ondergrond of vacuümomgeving, en de meting zal het monster niet storen tijdens het beeldvormingsproces. Dit voordeel maakt in-situ metingen onder veel praktische omstandigheden mogelijk. Verder, onze beeldvormingstechniek is een ultrasnelle meting die kritische dynamische informatie kan opleveren, en de instrumentatie is veel minder gecompliceerd en goedkoper in vergelijking met scanning tunneling microscopie en transmissie-elektronenmicroscopie."

Voor de SHG-beeldvorming van molybdeendisulfide, Zhang en zijn medewerkers belichtten monstermembranen die slechts drie atomen dik zijn met ultrasnelle pulsen van infrarood licht. De niet-lineaire optische eigenschappen van de monsters leverden een sterke SHG-respons op in de vorm van zichtbaar licht dat zowel afstembaar als coherent is. De resulterende SHG-gegenereerde afbeeldingen stelden de onderzoekers in staat om "structurele discontinuïteiten" of randen langs de 2D-kristallen te detecteren die slechts een paar atomen breed waren waar de translatiesymmetrie van het kristal was verbroken.

"Door de gepolariseerde componenten van de SHG-signalen te analyseren, we waren in staat om de kristaloriëntatie van het molybdeendisulfide-atoommembraan in kaart te brengen, " zegt Ziliang Ye, de co-lead auteur van het artikel en huidig ​​lid van de onderzoeksgroep van Zhang. "Hierdoor konden we een volledige kaart van de kristalkorrelstructuren vastleggen, kleurgecodeerd volgens kristaloriëntatie. We hebben nu een realtime, niet-invasief hulpmiddel waarmee we de structurele, optisch, en elektronische eigenschappen van 2D atomaire lagen van overgangsmetaal dichalcogeniden over een groot gebied."