De bepalende eigenschap van een halfgeleider is de zogenaamde bandgap:de barrière die voorkomt dat elektronen binnen een bepaald energiebereik door een materiaal stromen. De King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) professor in materiaalwetenschappen en techniek van Saudi-Arabië, Lance Li en zijn team werkten samen met collega's uit Taiwan en gebruikten een eenvoudig model om de banduitlijning te bepalen in een opwindende nieuwe klasse van halfgeleiders genaamd tweedimensionale overgang -metaal dichalcogeniden (TMD's).

Het eenvoudige concept van bandgap maakt een enkel halfgeleidend materiaal mogelijk, zoals silicium, om de bewerkingen uit te voeren die vereist zijn voor elektronische apparaten; echter, wanneer twee of meer halfgeleiders worden gecombineerd, het apparaat biedt een breder scala aan functionaliteit en biedt verbeterde prestaties en efficiëntie. Om te begrijpen hoe dergelijke heterostructuren zich gedragen, het is cruciaal om te weten hoe de bandgaps van de twee materialen op één lijn liggen.

Hoewel grafeen en TMD's allemaal atomair dun zijn, het ontbreken van een bandgap in grafeen beperkt de toepassing ervan tot elektronica, terwijl de aanwezigheid van een bandgap in TMD's het mogelijk maakt ze in heterostructuren te stapelen. Het is, echter, moeilijk om de banduitlijning tussen deze lagen experimenteel te bepalen omdat de resultaten afhankelijk zijn van de kwaliteit van fragiele TMD's. Li en zijn team hebben nu bewezen dat het concept dat bekend staat als het Anderson-model, een eenvoudige, computationeel goedkope manier om banduitlijning te bepalen, is van toepassing op dit systeem.

Het Anderson-model gaat ervan uit dat wanneer twee halfgeleiders bij elkaar worden geplaatst, ze delen een gemeenschappelijke nul in hun energiebandstructuur die bekend staat als het vacuümniveau. Bandgap-uitlijning kan dan direct worden bepaald uit berekende waarden van bandgaps en offsets. Tot nu, het was onduidelijk of deze veronderstelling waar zou zijn in TMD's met atomaire lagen.

Li en zijn team hebben dit aangepakt door de energie van de bandgap te meten in drie TMD's, molybdeendisulfide, wolfraamdisulfide en wolfraamdiselenide, met behulp van een methode die ultraviolette foto-elektronenspectroscopie wordt genoemd. Vervolgens pasten ze het Anderson-model toe om de banduitlijning te voorspellen. Ze vergeleken deze berekende waarden met directe experimentele metingen van röntgenfoto-elektronenspectroscopie van molybdeen-disulfide-wolfraam-disulfide en molybdeen-disulfide-wolfraam-diselenide heterostructuren.

Overeenkomst tussen de waarden verkregen door de twee methoden gaf aan dat het Anderson-model waar is. Het team suggereert dat dit komt door unieke van der Waals-oppervlakken, die ervoor zorgen dat er geen bungelende atoombindingen zijn die anders zouden voorkomen dat de vacuümniveaus in de twee materialen op één lijn liggen.

"Onze volgende stap is om heterojuncties te bouwen op basis van de kennis die is opgedaan met de theorie, " zegt Li. "We zullen verschillende heterostructuren onderzoeken voor verschillende toepassingen, zoals zonnecellen en light-emitting diodes."