Om monolaag halfgeleider overgangsmetaal dichalcogeniden (S-TMD's) te beschermen tegen oxidatie, ze moeten volledig afgeschermd zijn van licht, met zelfs een korte blootstelling die oxidatie veroorzaakt die ernstig genoeg is om elektrische contacten te beschadigen en optische kenmerken volledig te vernietigen.

een nieuwe, Door Monash University geleide samenwerking heeft aangetoond dat de oxidatie van monolagen van wolfraamdisulfide (WS2) in omgevingsomstandigheden te wijten is aan de absorptie van zichtbare golflengten van licht.

Het nieuwe werk, in samenwerking met onderzoekers uit de VS. Naval Research Laboratory en de Universiteit van Autonome Universiteit van Madrid, informeert onderzoekers die in het veld werken over de tot nu toe niet gewaardeerde fotogevoelige aard van deze materialen, en nog belangrijker, fungeert als richtlijn voor het volledig vermijden van oxidatie in monsters die zijn blootgesteld aan omgevingsomstandigheden.

"Dit werk zou onderzoekers moeten begeleiden bij de beste praktijken voor de fabricage van S-TMD-apparaten, " zegt hoofdauteur, Mr Jimmy Kotsakidis.

Hoewel al bekend is dat oxidatie van monolaagse halfgeleidertransitiemetaaldichalcogeniden (S-TMD's) onder omgevingsomstandigheden plaatsvindt, het mechanisme erachter is niet duidelijk geweest.

De nieuwe studie toont voor het eerst aan dat de oxidatie van de S-TMD WS2 onder omgevingsomstandigheden licht van geschikte golflengte vereist:Oxidatie wordt veroorzaakt door licht dat energiek genoeg is om elektronische overgangen in de WS2 te veroorzaken, dat wil zeggen, de waargenomen oxidatie in omgevingscondities is fotogeïnduceerd. De onderzoekers stellen dat dit gebeurt via twee plausibele mechanismen, Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET) en fotokatalyse. Vanwege de vergelijkbare chemie van S-TMD's, men denkt dat ditzelfde effect waarneembaar zou moeten zijn in MoS2 en andere S-TMD's in dezelfde materiaalfamilie.

Lichtgolflengten bij 660 nm of lager (d.w.z. zichtbare golflengten) bleek WS2 aanzienlijk te oxideren. In tegenstelling tot, monsters oxideerden niet als ze werden blootgesteld aan licht van 760 nm (met te weinig fotonenergie om elektronische overgangen in WS2 op te wekken), of in het donker zijn opgeslagen (10 maanden), of in een lichtverlichte stikstofatmosfeer (7 dagen).

"Dit belangrijke effect [foto-oxidatie] is over het hoofd gezien in S-TMD's sinds oxidatiestudies in circa 1955 begonnen. Dus, wij zijn van mening dat deze nieuwe bevindingen belangrijke implicaties zullen hebben voor eerdere, Cadeau, en toekomstige studies met betrekking tot S-TMD's gemeten, opgeslagen, of gemanipuleerd in omgevingsomstandigheden, ' zegt meneer Kotsakidis.

Atomair dunne overgangsmetaal dichalcogeniden zoals WS2, hebben het afgelopen decennium veel belangstelling gekregen vanwege hun buitengewone optische en elektrische eigenschappen en dus mogelijk gebruik in toekomstige elektronische en opto-elektronische apparaten.

Dit nieuwe werk informeert onderzoekers die in het veld werken over de tot nu toe niet gewaardeerde fotogevoelige aard van deze materialen, en nog belangrijker, fungeert als richtlijn voor het volledig vermijden van oxidatie in monsters die zijn blootgesteld aan omgevingsomstandigheden. Hoewel eerdere studies hebben aangetoond dat monolaag S-TMD's weken nodig hebben om zichtbaar te oxideren, dit werk laat zien dat dit zelfs bij extreem weinig licht in slechts 7 dagen kan gebeuren.

"Inzicht in de stabiliteit van S-TMD's in omgevingsomstandigheden en onder lichte verlichting, cruciaal voor metingen en manipulaties die onder die omstandigheden worden uitgevoerd, is essentieel voor hun ontwikkeling tot potentiële toepassingen, ", zegt co-auteur prof. Michael Fuhrer.

De onderzoekers bestudeerden monolagen van het halfgeleidende overgangsmetaal dichalcogenide (S-TMD) WS2 gegroeid door chemische dampafzetting (CVD). De monsters werden blootgesteld aan gecontroleerde hoeveelheden licht, en vervolgens gekarakteriseerd met behulp van optische microscopie, laser scanning confocale microscopie (LSCM), fotoluminescentie (PL) spectroscopie, en atoomkrachtmicroscopie (AFM).

De onderzoekers ontdekten dat monolaag WS2 blootgesteld aan omgevingsomstandigheden in de aanwezigheid van omgevingslicht schade vertoonde als gevolg van oxidatie die kon worden gedetecteerd met de LSCM en AFM, was echter niet duidelijk in conventionele optische microscopie vanwege een slechter contrast en een slechtere resolutie.

De studie merkte op dat deze oxidatie niet willekeurig was en gecorreleerd was met hoge symmetrie, randen met hoge intensiteit en rood verschoven gebieden in de PL-spectroscopiekaart - gebieden waarvan wordt aangenomen dat ze een hogere concentratie aan zwavelvacatures bevatten.

In tegenstelling tot, monsters die in het donker werden bewaard, vertoonden geen tekenen van oxidatie gedurende maximaal 10 maanden.

De onderzoekers voerden vervolgens gecontroleerde blootstellingen uit aan licht met een zeer lage stralingssterkte op verschillende golflengten gedurende lange tijdsperioden. De lage intensiteit zorgde ervoor dat eventuele schade niet te wijten was aan verwarming door het licht. Ze ontdekten dat monsters die werden blootgesteld aan licht met voldoende fotonenergie om WS2 op te wekken oxidatie vertoonden, terwijl fotonenergieën onder deze drempel WS2 niet oxideerden. Deze sterke golflengte-afhankelijkheid en het schijnbare gebrek aan stralingsafhankelijkheid suggereert dat omgevingsoxidatie van WS2 wordt geïnitieerd door foton-gemedieerde elektronische bandovergangen, dat is, foto-oxidatie.