Defekter i 2D-halvledere kan føre til flerfarvede lysemitterende enheder

Når videnskabsmænd fjerner individuelle atomer i et halvledermateriale, de resulterende ledige stillinger bliver til punktdefekter. I modsætning til hvad deres navn antyder, disse defekter kan have gavnlige virkninger på halvlederens egenskaber og muliggøre de fleste funktionaliteter af elektroniske materialer. I en ny undersøgelse, forskere har vist, at punktdefekter i 2D-halvledere resulterer i en stigning i den samlede fotoluminescensintensitet ved stuetemperatur. Yderligere, defekterne skaber en ny emissionstop, der kan føre til en bedre forståelse af defektfysik i 2D-halvledere såvel som fremtidige applikationer såsom flerfarvede lysemitterende enheder.

Forskerne, ledet af Sefaattin Tongay, Joonki Suh, og J. Wu, ved University of California, Berkeley, det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, og MIT, har offentliggjort deres papir om virkningerne af punktdefekter på 2D-halvledere i et nyligt nummer af Nature's Videnskabelige rapporter .

"Typisk, materialefejl betragtes som noget uønsket, "Fortalte Tongay Phys.org . "Tværtimod, de fleste af materialernes funktionaliteter er muliggjort af forskellige ufuldkommenheder såsom defekter. I dette arbejde, vi viser, at konstruktionen af ​​fejlene i todimensionale materialer giver os mulighed for at oprette en anden lysemissionskanal og også forbedre lysemissionen.

"Dette er sandsynligvis en milepæl på området. Vi forskere vidste ikke, hvordan vi skulle observere fejl ved optiske metoder, og her har vi fundet de første signaturer af defekter i 2D halvledere. Det er spændende. Tilsyneladende, defekter er en anden måde at tune/aktivere materialets egenskaber på on-demand."

Mens fysikken i punktdefekter i 3D -halvledere er blevet bredt undersøgt, meget mindre er kendt om punktdefekter i de mere nyligt udviklede 2D-halvledere. De lavdimensionelle elektroniske systemer er yderst modtagelige for uorden og ufuldkommenheder. I 2D halvledere, denne tilbøjelighed forventes at påvirke elektroniske og excitoniske processer stærkt. En sådan type nyopstået 2D-halvleder er monolayer transition metal dichalcogenides (TMD'er). Fordi TMD'er har direkte båndgab, hvilket betyder, at elektroner direkte kan udsende fotoner, de er lovende lysemitterende materialer.

Her, forskerne fandt ud af, at fjernelse af chalcogen (svovl) atomer fra en 0,7 nm tyk prøve af TMD MoS ₂ ændrer dens optiske egenskaber markant. Når antallet af defekter i materialet stiger, den samlede lysstyrke for det lys, der udsendes af materialet, stiger. Dette lys har en fotoluminescensspids på 1,90 eV, som bestemmer dens bølgelængde og farve. Men defekterne skabte også en ny fotoluminescenstop ved 1,78 eV.

Forskerne fandt ud af, at denne lavere energitopp dominerer fotoluminescensspektret ved lave temperaturer, og bliver svagere, når temperaturen stiger, indtil den helt forsvinder over 250 K (-23 ° C). Imidlertid, ved stuetemperatur, tilstedeværelsen af ​​sådanne defekter øger lysemissionen. Denne observation går imod den konventionelle visdom inden for det nye felt af 2D-halvledere, hvilket har været, at optisk emissionsintensitet ved stuetemperatur er tilstrækkelige kriterier til vurdering af krystalkvaliteten af ​​2D -halvledere; resultaterne her antyder, at vurderinger af krystalkvalitet bør indebære fotoluminescensmålinger ved lave temperaturer.

Forskerne påviste også, at ledighedsdefekter har lignende virkninger på de optiske egenskaber af to andre TMD'er, MoSe ₂ og WSe ₂ . Disse resultater indikerer, at virkningerne af punktdefekter sandsynligvis er universelle i andre 2D-halvledere, såvel.

Forskerne foreslår, at den underliggende mekanisme for disse effekter afhænger af samspillet mellem defekte steder og nitrogengas i luften. I vakuum, fejlene havde ingen effekt på TMD'ernes optiske egenskaber. Forskerne forklarer, at N ₂ molekyler i luften kan dræne frie elektroner fra materialet på de defekte steder, hvilket resulterer i en større andel frie excitoner (elektroner bundet til huller) i materialet. En del af de gratis excitoner bliver derefter fanget og bundet af de mangelfulde stillinger, danner bundne excitoner. Til sidst, både frie og bundne excitoner rekombinerer strålende og giver to forskellige lysemissionstoppe ved 1,90 eV (~ 650 nm) og 1,78 eV (~ 700 nm), henholdsvis.

Da forskere kan skabe disse defekter ved bestråling eller termisk udglødning, defektdensiteten - og de deraf følgende ændringer i materialets optiske egenskaber - kan kontrolleres via defektteknik. Denne evne kan føre til produktion af 2D-halvledere med flere båndgab, flerfarvede lysemissionsenheder, og optiske gassensorer, blandt andre applikationer.

"Med et smart design, punktdefekte 2D-halvledere viser potentielt bedre materiales ydeevne, som kan realiseres ved at afdække defektfysik i 2D -systemer, " sagde Suh. "Det er vores holds ultimative mål!"

© 2013 Phys.org