Kan het toevoegen van defecten een goed materiaal nog beter maken? Wetenschappers hebben ontdekt dat lineaire defecten in een veelbelovende dunne film één atoom dikke metalen draden creëren. Deze draden kruisen het verder intacte materiaal, een manier bieden om elektronen en fotonen te kanaliseren, kleine pakketjes licht. Een multidisciplinair team deed deze ontdekking met behulp van middelen van de Molecular Foundry en de Advanced Light Source.

Het team werkte met overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) omdat de materialen uitzonderlijke optische eigenschappen hebben. Uit dit onderzoek bleek dat een enkele TMD-laag evenveel licht kan uitstralen als een equivalent materiaal van 10, 000 keer dikker, de weg effenen naar kleinere, efficiëntere apparaten. Verder, het team ontdekte dat technische defecten (met opzet ontbrekende of verplaatste atomen introduceren) in TMD's hun intrinsieke eigenschappen konden wijzigen. Deze wijzigingen kunnen het materiaal verbeteren of leiden tot geheel nieuwe nuttige eigenschappen voor toekomstige energieconversie, kwantumcomputer- en communicatiesystemen.

In de wereld van halfgeleiders onzuiverheden en defecten kunnen een goede zaak zijn. Ze wijzigen de eigenschappen van materialen zoals silicium, en wetenschappers kunnen deze eigenschappen benutten om betere transistors voor laptops te ontwikkelen, smartphones, en zonnecellen. Onlangs, wetenschappers ontdekten een nieuwe klasse halfgeleiders die slechts drie atomen dik is en zich uitstrekt in een tweedimensionaal vlak, vergelijkbaar met grafeen. Deze tweedimensionale halfgeleiders, zogenaamde overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's), uitzonderlijke optische eigenschappen hebben. Ze kunnen worden ontwikkeld tot ultragevoelige fotodetectoren, en een enkele TMD-laag straalt evenveel licht uit als een driedimensionaal TMD-kristal dat bestaat uit 10, 000 lagen.

De afgelopen jaren, wetenschappers hebben zich afgevraagd of onzuiverheden en defecten ook de intrinsieke eigenschappen van TMD's kunnen veranderen, misschien op manieren die de halfgeleider verbeteren of tot nieuwe functionaliteiten leiden. Wetenschappers van de Molecular Foundry, in samenwerking met onderzoekers van de Advanced Light Source, hebben een grote stap gezet om deze vraag te beantwoorden. Ze ontdekten - tot hun verbazing - hoe substantiële lineaire defecten in TMD's geheel nieuwe eigenschappen creëren. Sommige van deze eigenschappen geven aan dat defecten in TMD's zelfs supergeleidende toestanden kunnen mediëren.

Het team synthetiseerde drie-atoom dikke, schone lagen molybdeendiselenide, wat een type TMD is. Vervolgens bestudeerden ze het materiaal met een microscoop die atomen en hun elektronische golffuncties kan visualiseren. Ze ontdekten een lineair defect gevormd door een lijn van ontbrekende seleniumatomen. Dit defect creëert één atoom dikke metalen draden om elektronen of fotonen over de anders intacte halfgeleiderachtige aderen te transporteren.