Een nieuwe generatie elektronica en opto-elektronica kan binnenkort mogelijk zijn door de draaihoeken te regelen in een bepaald type dubbellaags 2D-materiaal dat in deze apparaten wordt gebruikt, waardoor de intrinsieke elektrische lading tussen de twee lagen wordt versterkt, aldus onderzoekers van Penn State, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology en Rutgers University.

De onderzoekers werkten met reguliere overgangsmetaal dichalcogenides (TMD) 2D-materialen en Janus TMD's, een klasse van 2D-materialen genoemd naar de Romeinse god van de dualiteit, Janus. Deze dubbellaagse 2D-materialen hebben een interactie tussen lagen die bekend staat als een van der Waals-tussenlaagkoppeling die leidt tot een ladingsoverdracht, een proces dat belangrijk is voor de functionaliteit van elektronische apparaten. De ladingsoverdracht voor beide zijden van conventionele TMD's is hetzelfde omdat elke zijde hetzelfde type atomen heeft. In het geval van Janus TMD-materialen zijn de atomen aan elke kant van het materiaal van verschillende typen, wat leidt tot een gevarieerde ladingsoverdracht wanneer elke kant in contact staat met andere 2D-materialen.

"In onze studie waren de twee soorten atomen aan elke kant van het Janus TMD-materiaal zwavel en selenium", zegt Shengxi Huang, assistent-professor elektrotechniek en biomedische technologie aan Penn State en co-auteur van de studie die onlangs is gepubliceerd in ACS Nano . "Omdat ze verschillend zijn, kan er een ladingsscheiding of ladingonbalans zijn voor de boven- en onderkant. Het creëert een verticaal gericht intrinsiek elektrisch veld dat heel anders is dan conventionele 2D-materialen."

In eerder onderzoek probeerden Huang en de andere onderzoekers te begrijpen of dit intrinsieke elektrische veld aangrenzende 2D-materialen zou beïnvloeden wanneer ze gelaagd zijn. Ze ontdekten dat de koppeling sterker is in de Janus 2D-materialen dan traditionele 2D-materialen, vanwege de asymmetrische lading die wordt veroorzaakt door de verschillende soorten atomen aan elke kant.

Voor het huidige werk stapelden ze handmatig twee soorten materiaallagen, Janus TMD en gewone 2D-materialen, die willekeurige hoeken veroorzaakten, afhankelijk van hoe ze werden gestapeld. Maar toen ze de hoeken afstemden van hoe elke laag tot specifieke graden was gestapeld, deden ze een interessante bevinding. Als de driehoekige materialen worden gedraaid om te stapelen in een hoek van nul graden, wanneer ze perfect zijn uitgelijnd, of in een hoek van 60 graden, wanneer ze precies het tegenovergestelde zijn van perfecte uitlijning, vonden ze de koppelingen veel sterker dan onder willekeurige hoeken. Bovendien ontdekten ze ook dat de koppeling tussen de lagen sterker is wanneer de Janus TMD met hetzelfde type element op de conventionele TMD wordt gelaagd.

"De belangrijkste bevinding was dat voor dezelfde zwavel / zwavel-interface de tussenlaagkoppeling veel sterker is dan de zwavel / selenium-interface," zei Huang. "En dit komt door de ladingsverdeling gerelateerd aan de dipoolrichting in deze atomen. Dit betekent dat er een effectieve ladingsoverdracht tussen de twee lagen kan zijn. Op basis van onze berekening is de scheiding, dus de afstand tussen de tussenlagen, veel kleiner , dus dat laat zien dat er een sterkere koppeling is."

Om dit te ontdekken, gebruikten Huang en het team laagfrequente Raman-spectroscopie. Ze schenen licht op de twee lagen 2D-materialen, waardoor de atomen van de materialen gingen trillen. Als de trilling sneller en met een hogere frequentie is, geeft dat aan dat de koppeling tussen de lagen sterk is.

"Je kunt je dit voorstellen met behulp van een veer die twee ballen verbindt," zei Huang. "Als de veer heel snel trilt, betekent dit dat deze veer sterk is."

De andere methode die het team tijdens zijn onderzoek gebruikte, was fotoluminescentiespectroscopie. Wanneer twee lagen 2D-materiaal ladingen met elkaar uitwisselen, zal de intensiteit van de lichtemissie in een van de materialen dalen. Dit komt omdat er enkele ladingen zijn die naar de andere laag worden overgedragen, en er is niet genoeg lading om de fotoluminescentie te laten plaatsvinden in de "verzendende" laag.

"We gebruikten dit als een maat voor de mate van ladingsoverdracht tussen de twee lagen", zegt Kunyan Zhang, promovendus in elektrotechniek aan Penn State en co-hoofdauteur van het onderzoek. "Deze resultaten die we van de lichtemissie hebben gekregen, komen overeen met onze laagfrequente Raman-spectroscopie. Waar we een sterkere koppeling van de atomaire trillingen zien, zien we ook een grotere daling van de lichtemissie."

Deze bevindingen zijn belangrijk voor de vooruitgang van elektronica en opto-elektronica. Het beheersen van de tussenlaagkoppeling en het induceren van verschillende optische en/of elektronische gedragingen is van groot belang voor de prestaties van veel opto-elektronische en elektronische apparaten.

"Deze nieuwe materiële mogelijkheden kunnen van invloed zijn op veel toepassingen, variërend van opto-elektronica tot elektronische apparaten tot katalytische vermogens in elektrochemische apparaten zoals batterijen," zei Huang. "Deze apparaten zijn overal in ons dagelijks leven, zoals verlichting, elektronica, apparaten en batterijen."

Voortgezet werk in dit onderzoeksgebied zal omvatten hoe de tussenlaagkoppeling andere soorten materialen beïnvloedt. Bovendien kunnen hun bevindingen in de toekomst van nut zijn voor andere onderzoekers.

"Mensen buiten ons vakgebied kunnen baat hebben bij onze studie," zei Zhang. "Het afstemmen van dit soort interne koppeling met behulp van de interface met draaihoeken is niet eerder bestudeerd. Die bevindingen kunnen opvallend zijn voor anderen in het 2D-veld wiens werk geen Janus TMD's omvat." + Verder verkennen

2D-materialen op maat maken om elektronische en optische apparaten te verbeteren