Een opkomende klasse van atomair dunne materialen, bekend als monolaagse halfgeleiders, heeft veel ophef veroorzaakt in de wereld van de materiaalwetenschap. Monolagen zijn veelbelovend in de ontwikkeling van transparante LED-displays, ultrahoge efficiëntie zonnecellen, fotodetectoren en transistors op nanoschaal. Hun nadeel? De films zijn notoir bezaaid met gebreken, hun prestaties doden.

Maar nu een onderzoeksteam, geleid door ingenieurs aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en Lawrence Berkeley National Laboratory, heeft een eenvoudige manier gevonden om deze defecten op te lossen door het gebruik van een organisch superzuur. De chemische behandeling leidde tot een dramatische 100-voudige toename van de fotoluminescentie-kwantumopbrengst van het materiaal, een verhouding die de hoeveelheid licht beschrijft die door het materiaal wordt gegenereerd versus de hoeveelheid energie die erin wordt gestopt. Hoe groter de emissie van licht, hoe hoger de kwantumopbrengst en hoe beter de materiaalkwaliteit.

De onderzoekers verbeterden de kwantumopbrengst voor molybdeendisulfide, of MoS2, van minder dan 1 procent tot 100 procent door het materiaal onder te dompelen in een superzuur genaamd bistriflimide, of TFSI.

Hun bevindingen, zal worden gepubliceerd in het nummer van 27 november van Wetenschap , opent de deur naar de praktische toepassing van monolaagmaterialen, zoals MoS2, in opto-elektronische apparaten en hoogwaardige transistors. MoS2 is slechts zeven tiende nanometer dik. Ter vergelijking, een streng menselijk DNA heeft een diameter van 2,5 nanometer.

"Traditioneel, hoe dunner het materiaal, hoe gevoeliger het is voor defecten, " zei hoofdonderzoeker Ali Javey, UC Berkeley hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen en een faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab. "Deze studie presenteert de eerste demonstratie van een opto-elektronisch perfecte monolaag, die voorheen ongehoord was in een materiaal zo dun."

De onderzoekers keken naar superzuren omdat, per definitie, het zijn oplossingen met de neiging om protonen te "geven", vaak in de vorm van waterstofatomen, naar andere stoffen. Deze chemische reactie, protonatie genoemd, heeft het effect van het opvullen van de ontbrekende atomen op de plaats van defecten en het verwijderen van ongewenste verontreinigingen die aan het oppervlak vastzitten, aldus de onderzoekers.

Co-hoofdauteurs van het artikel zijn UC Berkeley Ph.D. student Matin Amani, een bezoek aan Ph.D. student Der-Hsien Lien en postdoctoraal fellow Daisuke Kiriya.

Ze merkten op dat wetenschappers monolaagse halfgeleiders nastreven vanwege hun lage absorptie van licht en hun vermogen om wendingen te weerstaan, bochten en andere extreme vormen van mechanische vervorming, die hun gebruik in transparante of flexibele apparaten mogelijk maken.

MoS2, specifiek, wordt gekenmerkt door moleculaire lagen die bij elkaar worden gehouden door van der Waals-krachten, een soort atomaire binding tussen elke laag die atomair scherp is. Een bijkomend voordeel van een materiaal dat zo dun is, is dat het zeer elektrisch afstembaar is. Voor toepassingen zoals LED-displays, met deze functie kunnen apparaten worden gemaakt waarbij een enkele pixel een breed scala aan kleuren zou kunnen uitzenden in plaats van slechts één door de hoeveelheid toegepaste spanning te variëren.

De hoofdauteurs voegden eraan toe dat de efficiëntie van een LED direct gerelateerd is aan de kwantumopbrengst van fotoluminescentie, dus in principe, men zou hoogwaardige LED-displays kunnen ontwikkelen die transparant zijn wanneer ze zijn uitgeschakeld en flexibel zijn met behulp van de "perfecte" opto-elektronische monolagen die in dit onderzoek zijn geproduceerd.

Deze behandeling heeft ook revolutionair potentieel voor transistors. Naarmate apparaten in computerchips kleiner en dunner worden, gebreken spelen een grotere rol bij het beperken van hun prestaties.

"The defect-free monolayers developed here could solve this problem in addition to allowing for new types of low-energy switches, " said Javey.