Tweedimensionale materialen zijn een soort rookie-fenomeen in de wetenschappelijke gemeenschap. Ze zijn atomair dun en kunnen radicaal andere elektronische en op licht gebaseerde eigenschappen vertonen dan hun dikkere, meer conventionele vormen, dus stromen onderzoekers naar dit jonge veld om manieren te vinden om deze exotische eigenschappen aan te boren.

Toepassingen voor 2D-materialen variëren van microchipcomponenten tot superdunne en flexibele zonnepanelen en beeldschermen, tussen een groeiende lijst van mogelijke toepassingen. Maar omdat hun fundamentele structuur van nature klein is, ze kunnen lastig te vervaardigen en te meten zijn, en te matchen met andere materialen. Dus terwijl O&O voor 2D-materialen in opkomst is, er zijn nog veel onbekenden over hoe te isoleren, uitbreiden, en hun meest wenselijke eigenschappen manipuleren.

Nutsvoorzieningen, een wetenschappelijk team van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) heeft nauwkeurig enkele eerder verduisterde eigenschappen van molysulfide gemeten, een 2-D halfgeleidend materiaal ook bekend als molybdeendisulfide of MoS2. Het team onthulde ook een krachtig afstemmingsmechanisme en een onderlinge relatie tussen zijn elektronische en optische, of lichtgerelateerd, eigendommen.

Om dergelijke monolaagmaterialen het beste in elektronische apparaten op te nemen, ingenieurs willen de "band gap, " wat het minimale energieniveau is dat nodig is om elektronen weg te jagen van de atomen waaraan ze zijn gekoppeld, zodat ze vrij door het materiaal stromen zoals elektrische stroom door een koperdraad vloeit. Het leveren van voldoende energie aan de elektronen door licht te absorberen, bijvoorbeeld, zet het materiaal om in een elektrisch geleidende toestand.

Zoals gemeld in het nummer van 25 augustus van Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers maten de band gap voor een monolaag van molysulfide, die theoretisch moeilijk nauwkeurig te voorspellen is gebleken, en vond het ongeveer 30 procent hoger dan verwacht op basis van eerdere experimenten. Ze kwantificeerden ook hoe de band gap verandert met de elektronendichtheid - een fenomeen dat bekend staat als "band gap renormalization".

"De meest cruciale betekenis van dit werk was het vinden van de bandkloof, " zei Kaiyuan Yao, een afgestudeerde student-onderzoeker bij Berkeley Lab en de Universiteit van Californië, Berkeley, die diende als de hoofdauteur van het onderzoekspaper.

"Dat biedt zeer belangrijke richtlijnen voor alle ingenieurs van opto-elektronische apparaten. Ze moeten weten wat de band gap is" om het 2D-materiaal goed te verbinden met andere materialen en componenten in een apparaat, zei Yao.

Het verkrijgen van de directe bandafstandmeting wordt uitgedaagd door het zogenaamde "excitoneffect" in 2D-materialen dat wordt geproduceerd door een sterke koppeling tussen elektronen en elektronen "gaten" - lege posities rond een atoom waar een elektron kan bestaan. De sterkte van dit effect kan metingen van de band gap maskeren.

Nicolaas Boris, een projectwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry die ook deelnam aan het onderzoek, zei dat de studie ook oplost hoe optische en elektronische eigenschappen in een 2D-materiaal kunnen worden afgestemd.

"De echte kracht van onze techniek, en een belangrijke mijlpaal voor de natuurkundegemeenschap, is om onderscheid te maken tussen deze optische en elektronische eigenschappen, ' zei Boris.

Het team gebruikte verschillende tools bij de Molecular Foundry, een faciliteit die openstaat voor de wetenschappelijke gemeenschap en gespecialiseerd is in de creatie en exploratie van materialen op nanoschaal.

De Molecular Foundry-techniek die onderzoekers hebben aangepast voor gebruik bij het bestuderen van monolaag molysulfide, bekend als fotoluminescentie-excitatie (PLE) spectroscopie, belooft nieuwe toepassingen voor het materiaal binnen handbereik te brengen, zoals ultragevoelige biosensoren en kleinere transistors, en toont ook belofte voor vergelijkbare lokaliseren en manipuleren van eigenschappen in andere 2D-materialen, aldus onderzoekers.

Het onderzoeksteam heeft zowel de exciton- als de band gap-signalen gemeten, en vervolgens deze afzonderlijke signalen ontward. Wetenschappers observeerden hoe licht werd geabsorbeerd door elektronen in het molysulfidemonster toen ze de dichtheid van elektronen die in het monster waren gepropt aanpasten door de elektrische spanning op een laag geladen silicium die onder de monolaag van molysulfide zat te veranderen.

Onderzoekers merkten een lichte "bult" op in hun metingen waarvan ze zich realiseerden dat het een directe meting was van de band gap, en door een hele reeks andere experimenten gebruikten ze hun ontdekking om te bestuderen hoe de bandafstand gemakkelijk af te stemmen was door simpelweg de dichtheid van elektronen in het materiaal aan te passen.

"De grote mate van afstembaarheid opent echt de ogen van mensen, " zei P. James Schuck, die tijdens deze studie directeur was van de Imaging and Manipulation of Nanostructures-faciliteit bij de Molecular Foundry.

"En omdat we zowel de rand van de band gap als de excitonen tegelijkertijd konden zien, we konden elk afzonderlijk begrijpen en ook de relatie tussen hen begrijpen, " zei Schuk, nu aan de Columbia-universiteit. "Het blijkt dat al deze eigenschappen van elkaar afhankelijk zijn."

Moly sulfide, Schuck merkte ook op, is "uiterst gevoelig voor zijn lokale omgeving, " waardoor het een uitstekende kandidaat is voor gebruik in een reeks sensoren. Omdat het zeer gevoelig is voor zowel optische als elektronische effecten, het zou inkomend licht kunnen vertalen in elektronische signalen en vice versa.

Schuck zei dat het team hoopt een reeks technieken bij de Molecular Foundry te gebruiken om andere soorten monolaagmaterialen en monsters van gestapelde 2D-lagen te maken, en om hiervoor definitieve bandgapmetingen te verkrijgen, te. "Het blijkt dat nog niemand de bandhiaten kent voor sommige van deze andere materialen, " hij zei.

Het team heeft ook expertise in het gebruik van een sonde op nanoschaal om het elektronische gedrag over een bepaald monster in kaart te brengen.

Borys heeft toegevoegd, "We hopen zeker dat dit werk de aanzet geeft tot verdere studies over andere 2D-halfgeleidersystemen."

The Molecular Foundry is een DOE Office of Science User Facility die bezoekende wetenschappers gratis toegang biedt tot ultramoderne apparatuur en multidisciplinaire expertise in wetenschap op nanoschaal.

Onderzoekers van het Kavli Energy NanoSciences Institute van UC Berkeley en Berkeley Lab, en van de Arizona State University namen ook deel aan deze studie, die werd ondersteund door de National Science Foundation.