(Phys.org) - Er is zojuist een nieuw argument toegevoegd aan het groeiende argument dat grafeen van zijn voetstuk wordt gestoten als het volgende grote ding in de hightechwereld door de tweedimensionale halfgeleiders die bekend staan ​​​​als MX2-materialen. Een internationale samenwerking van onderzoekers onder leiding van een wetenschapper met het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft de eerste experimentele waarneming van ultrasnelle ladingsoverdracht in foto-opgewonden MX2-materialen gerapporteerd. De geregistreerde ladingsoverdrachtstijd klokte af op minder dan 50 femtoseconden, vergelijkbaar met de snelste tijden geregistreerd voor organische fotovoltaïsche zonne-energie.

"We hebben aangetoond, Voor de eerste keer, efficiënte ladingsoverdracht in MX2-heterostructuren door gecombineerde fotoluminescentie-mapping en transiënte absorptiemetingen, " zegt Feng Wang, een fysicus van de gecondenseerde materie bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van de University of California (UC) Berkeley. "Nadat kwantitatief is vastgesteld dat de overdrachtstijd van de lading minder is dan 50 femtoseconden, onze studie suggereert dat MX2-heterostructuren, met hun opmerkelijke elektrische en optische eigenschappen en de snelle ontwikkeling van grootschalige synthese, veelbelovend voor toekomstige fotonische en opto-elektronische toepassingen."

Wang is de corresponderende auteur van een paper in Natuur Nanotechnologie dit onderzoek beschrijft. Het artikel is getiteld "Ultrasnelle ladingsoverdracht in atomair dunne MoS2/WS2 heterostructuren." Co-auteurs zijn Xiaoping Hong, Jonghwan Kim, Su Fei Shi, Yu Zhang, Chenhao Jin, Yinghui zon, Sefaattin Tongay, Junqiao Wu en Yanfeng Zhang.

MX2-monolagen bestaan ​​uit een enkele laag overgangsmetaalatomen, zoals molybdeen (Mo) of wolfraam (W), ingeklemd tussen twee lagen chalcogeenatomen, zoals zwavel (S). De resulterende heterostructuur is gebonden door de relatief zwakke intermoleculaire aantrekkingskracht die bekend staat als de van der Waals-kracht. Deze 2D-halfgeleiders hebben dezelfde hexagonale "honingraatstructuur" als grafeen en supersnelle elektrische geleiding, maar, in tegenstelling tot grafeen, ze hebben natuurlijke energieband-gaps. Dit vergemakkelijkt hun toepassing in transistors en andere elektronische apparaten omdat, in tegenstelling tot grafeen, hun elektrische geleiding kan worden uitgeschakeld.

"Door verschillende MX2-lagen met elkaar te combineren, kan men hun fysieke eigenschappen controleren, " zegt Wang, die ook onderzoeker is bij het Kavli Energy NanoSciences Institute (Kavli-ENSI). "Bijvoorbeeld, de combinatie van MoS2 en WS2 vormt een type II halfgeleider die snelle ladingsscheiding mogelijk maakt. De scheiding van foto-geëxciteerde elektronen en gaten is essentieel voor het aandrijven van een elektrische stroom in een fotodetector of zonnecel."

Bij het demonstreren van de ultrasnelle ladingsscheidingscapaciteiten van atomair dunne monsters van MoS2 / WS2-heterostructuren, Wang en zijn medewerkers hebben potentieel rijke nieuwe wegen geopend, niet alleen voor fotonica en opto-elektronica, maar ook voor fotovoltaïsche energie.

"MX2-halfgeleiders hebben extreem sterke optische absorptie-eigenschappen en vergeleken met organische fotovoltaïsche materialen, een kristallijne structuur en betere elektrische transporteigenschappen hebben, ", zegt Wang. "Factor in een femtoseconde ladingsoverdrachtsnelheid en MX2-halfgeleiders bieden een ideale manier om elektronen en gaten ruimtelijk te scheiden voor het verzamelen en gebruiken van elektriciteit."

Wang en zijn collega's bestuderen de microscopische oorsprong van ladingsoverdracht in MX2-heterostructuren en de variatie in ladingsoverdrachtsnelheden tussen verschillende MX2-materialen.

"We zijn ook geïnteresseerd in het regelen van het ladingsoverdrachtsproces met externe elektrische velden als middel om MX2-heterostructuren in fotovoltaïsche apparaten te gebruiken, "zegt Wang.