Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een unieke nano-optische sonde gebruikt om de effecten van verlichting op tweedimensionale halfgeleiders op moleculair niveau te bestuderen. Werken bij de Molecular Foundry, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, het wetenschappelijke team gebruikte de 'Campanile'-sonde die ze ontwikkelden om enkele verrassende ontdekkingen te doen over molybdeendisulfide, een lid van een familie van halfgeleiders, genaamd "overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDC's), waarvan de opto-elektronische eigenschappen veelbelovend zijn voor toekomstige nano-elektronische en fotonische apparaten.

"De opmerkelijke resolutie van de Campanile-sonde stelde ons in staat om significante opto-elektronische heterogeniteit op nanoschaal te identificeren in de binnenste regio's van monolaagkristallen van molybdeendisulfide, en een onverwachte, ongeveer 300 nanometer breed, energetisch ongeordend randgebied, " zegt James Schuck, een stafwetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. Schuck leidde deze studie evenals het team dat de Campanile-sonde heeft gemaakt, die in 2013 een prestigieuze R&D 100 Award won voor het combineren van de voordelen van scan-/sondemicroscopie en optische spectroscopie.

"Dit wanordelijke randgebied, die nog nooit eerder is gezien, kan uiterst belangrijk zijn voor alle apparaten waarin men elektrische contacten wil maken, "zegt Schuck. "Het kan ook van cruciaal belang zijn voor fotokatalytische en niet-lineaire optische conversietoepassingen."

Schuck, die de Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility leidt bij de Molecular Foundry, is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek wordt beschreven in Natuurcommunicatie . Het artikel is getiteld "Het visualiseren van excitonische relaxatie-eigenschappen op nanoschaal van ongeordende randen en korrelgrenzen in monolaag molybdeendisulfide." De co-hoofdauteurs zijn Wei Bao en Nicholas Borys. (Zie hieronder voor een volledige lijst van auteurs.)

2D-TMDC's wedijveren met grafeen als potentiële opvolgers van silicium voor de volgende generatie hogesnelheidselektronica. Slechts een enkel molecuul in dikte, 2D-TMDC-materialen hebben een superieure energie-efficiëntie en een vermogen om veel hogere stroomdichtheden te dragen dan silicium. Echter, sinds hun experimentele "ontdekking" in 2010, de prestaties van 2D-TMDC-materialen zijn ver achtergebleven bij de theoretische verwachtingen, voornamelijk vanwege een gebrek aan begrip van 2D-TMDC-eigenschappen op nanoschaal, vooral hun excitonische eigenschappen. Excitonen zijn gebonden paren van geëxciteerde elektronen en gaten die halfgeleiders in staat stellen te functioneren in apparaten.

"Het slechte begrip van 2D-TMDC-excitonische en andere eigenschappen op nanoschaal is voor een groot deel geworteld in de bestaande beperkingen op nanospectroscopische beeldvorming, " zegt Schuck. "Met onze Campanile-sonde, we overwinnen bijna alle eerdere beperkingen van near-field microscopie en zijn in staat om kritische chemische en optische eigenschappen en processen in kaart te brengen op hun oorspronkelijke lengteschalen."

De Campanile-sonde, die zijn naam ontleent aan de historische "Campanile" klokkentoren op de campus van de Universiteit van Californië in Berkeley, heeft een taps toelopende, vierzijdige microscopische tip die op het uiteinde van een optische vezel is gemonteerd. Twee van de zijkanten van de Campanile zijn bedekt met goud en de twee goudlagen zijn aan de punt slechts enkele nanometers van elkaar gescheiden. Dankzij het taps toelopende ontwerp kan de Campanile-sonde licht van alle golflengten naar een verbeterd veld aan de top van de punt leiden. De grootte van de opening tussen de goudlagen bepaalt de resolutie, die onder de optische limiet voor diffractie kan liggen.

In hun nieuwe studie Schuck, Bao, Borys en hun co-auteurs gebruikten de Campanile-sonde om spectroscopische processen van aangeslagen toestand/ontspanning op nanoschaal in kaart te brengen in monolaagkristallen van molybdeendisulfide die werden gekweekt door chemische dampafzetting (CVD). Molybdeendisulfide is een 2D-halfgeleider met een hoge elektrische geleiding die vergelijkbaar is met die van grafeen, maar, in tegenstelling tot grafeen, heeft natuurlijke energie band-gaps, wat betekent dat de geleiding ervan kan worden uitgeschakeld.

"Onze studie onthulde significante opto-elektronische heterogeniteit op nanoschaal en stelde ons in staat om exciton-quenching-fenomenen aan kristalkorrelgrenzen te kwantificeren, " Zei Schuck. "De ontdekking van het wanordelijke randgebied vormt een paradigmaverschuiving van het idee dat alleen een 1D metalen randtoestand verantwoordelijk is voor alle randgerelateerde fysica en fotochemie die worden waargenomen in 2D-TMDC's. Wat er aan de randen van 2D-TMDC-kristallen gebeurt, is duidelijk ingewikkelder dan dat. Er is een mesoscopisch wanordelijk gebied dat waarschijnlijk het meeste transport domineert, niet-lineair optisch, en fotokatalytisch gedrag nabij de randen van door CVD gekweekte 2D-TMDC's."

In dit onderzoek, Schuck en zijn collega's ontdekten ook dat het ongeordende randgebied in molybdeendisulfidekristallen een zwaveltekort herbergt dat implicaties heeft voor toekomstige opto-elektronische toepassingen van deze 2D-TMDC.

"Minder zwavel betekent dat er meer vrije elektronen aanwezig zijn in dat randgebied, wat zou kunnen leiden tot verbeterde niet-stralingsrecombinatie, "zegt Schuck. "Verbeterde niet-stralingsrecombinatie betekent dat excitonen die in de buurt van een zwavelvacature worden gecreëerd, veel korter zullen leven."

Schuck en zijn collega's zijn van plan om de volgende excitonische en elektronische eigenschappen te bestuderen die zich kunnen voordoen, evenals het creëren van pn-overgangen en kwantumbronnen, wanneer twee verschillende soorten TMDC's zijn aangesloten

"We combineren ook 2D-TMDC-materialen met zogenaamde meta-oppervlakken voor het controleren en manipuleren van de valleistaten en circulaire emitters die in deze systemen bestaan, evenals het onderzoeken van gelokaliseerde kwantumtoestanden die zouden kunnen fungeren als bijna ideale enkel-fotonstralers en kwantumverstrengelde Qubit-toestanden, ' zegt Schuk.