(Phys.org) — Bij blootstelling aan lucht, een lichtgevend 2D-materiaal genaamd molybdeentelluride (MoTe ₂ ) lijkt binnen een paar dagen te ontbinden, verliest zijn optische contrast en wordt vrijwel transparant. Maar toen wetenschappers verder peilden, ze ontdekten dat de verdwijning een illusie is:het materiaal blijft structureel stabiel, en alleen de materiaaleigenschappen veranderen. De resultaten onthullen inzicht in de milieustabiliteit en ongebruikelijke eigenschappen van een nieuwere klasse van 2D-materialen, transitiemetaaldichalcogeniden (TMD's) genaamd.

De onderzoekers, onder leiding van Sefaattin Tongay, Universitair docent aan de Arizona State University, hebben een artikel gepubliceerd over de veranderende luminescentie in een recent nummer van ACS Nano .

"Momenteel, veel onderzoekers over de hele wereld demonstreren zeer indrukwekkende en veelbelovende proof-of-concept-toepassingen met behulp van 2D-materiaalsystemen, maar we weten nog steeds niet hun materiële stabiliteit over lange perioden, " vertelde Tongay Phys.org . "Dit onderzoek presenteert het unieke geval van MoTe ₂ , de enige TMD met infraroodbereik, waar monolagen visueel verdwijnen, maar fysiek nog steeds aanwezig zijn."

Net als andere TMD's, MoTe ₂ valt op door zijn interessante optische eigenschappen. In bulkvorm, TMD's zijn niet lichtgevend, maar wanneer één-atoomlaag-dikke vlokken van de massa worden geëxfolieerd, de 2D-vlokken worden halfgeleiders en zenden vrij sterk licht uit. Om deze reden, 2D halfgeleidende TMD's kunnen toepassingen hebben in opto-elektronica en zonne-energieconversietechnologieën. Als enige TMD met een bandafstand in het infraroodbereik, MoTe ₂ is bijzonder geschikt voor infrarooddetectoren en tunnelveldeffecttransistoren.

Omdat 2D-materialen een grote oppervlakte-volumeverhouding hebben, hun eigenschappen kunnen worden beïnvloed door interacties tussen hun oppervlak en de omgeving. Opmerkend dat telluriumverbindingen bijzonder gevoelig zijn voor zuurstof, de onderzoekers hier wilden onderzoeken wat er gebeurt als monolaag MoTe ₂ enkele dagen wordt blootgesteld aan zuurstof.

De onderzoekers begonnen het materiaal onder een optische microscoop met een infraroodlens te observeren. Ze ontdekten dat MoTe ₂ vlokken die aanvankelijk zeer lichtgevend waren, behielden hun helderheid gedurende de observatieperiode van 8 dagen. Anderzijds, zwak oplichtende vlokken bleken onverwacht binnen 1-3 dagen te vervagen, en delen ervan verdwenen helemaal.

Echter, bij het bekijken van de "verdwijnende" vlokken met behulp van een atoomkrachtmicroscoop (AFM), die monsters mechanisch scant in plaats van optisch, de onderzoekers zagen de vlokken "weer verschijnen". De vlokken waren in de eerste plaats nooit verdwenen, maar hun optische eigenschappen waren veranderd terwijl hun chemische structuur behouden bleef.

De onderzoekers stellen voor dat de reden waarom de zwak oplichtende vlokken lijken te verdwijnen, is dat ze een groot aantal defecten hebben, met name vacatures door ontbrekende atomen. Deze vacatures zijn de reden waarom de vlokken een lage beginnende luminescentie hebben, en leg ook uit waarom ze hun luminescentie verliezen bij blootstelling aan zuurstof. Zuurstofmoleculen (O ₂ ) vanuit de lucht worden ingebed in deze defecten en binden aan Mo en Te, het vormen van "diepe toestanden" die in feite elektronen en gaten vangen, luminescentie effectief te verbieden. Anderzijds, vlokken die om te beginnen zeer lichtgevend zijn, hebben een klein aantal defecten, dus ze absorberen niet zo veel zuurstofmoleculen, geen verlies van luminescentie lijden, en hun optische eigenschappen blijven onder vacuümomstandigheden dicht bij hun eigenschappen.

"Dit werk laat zien dat een klein aantal defecten in MoTe ₂ kunnen een grote invloed hebben op hun materiaaleigenschappen, zoals optische, elektrisch, en vibrerend, en deze veranderingen treden geleidelijk op in de loop van de tijd, vergelijkbaar met het rijpen van wijn:afhankelijk van de defectconcentratie, MoTe ₂ monolagen kunnen na verloop van tijd bederven (of kunnen beter worden), ' legde Tongay uit.

De resultaten hier laten zien dat de defecten een significante rol spelen in de optische eigenschappen en stabiliteit van MoTe ₂ , en zou ook inzicht kunnen geven in de milieustabiliteit van andere 2D-materialen, zoals siliceen (2D silicium), fosforeen (2D fosfor), en andere TMD's. Het zou ook kunnen leiden tot manieren om de eigenschappen van deze materialen te controleren.

"Dit is een belangrijke ontdekking omdat het praktisch impliceert dat we de optische eigenschappen van 2D MoTe . kunnen afstemmen ₂ door de defectdichtheid in het materiaal te manipuleren en te voorkomen dat het materiaal zijn intrinsieke eigenschappen verliest door de kwaliteit van kristal te verbeteren, " zei Bin Chen, Promovendus aan de Arizona State University en hoofdauteur van het artikel.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de stabiliteit van andere 2D-materiaalsystemen te onderzoeken en vast te stellen, evenals hun eigenschappen versterken door moleculaire functionalisering door bestaande of opzettelijk gecreëerde defectpunten.

"Ondanks bemoedigende resultaten en indrukwekkende toepassingen, onze resultaten wijzen op instabiliteit van het milieu over een periode van een maand, "Zei Chen. "We hopen dit te begrijpen en idealiter deze uitdagingen te overwinnen met behulp van onze kennis en expertise op het gebied van materiaalwetenschap en -engineering."

© 2015 Fys.org