Ny halvleder holder løfte om 2-D fysik og elektronik

(Phys.org) —Fra supersmøremidler, til solceller, til den nye teknologi inden for valleytronics, der er meget at være begejstret for med opdagelsen af ​​en unik ny todimensionel halvleder, rheniumdisulfid, af forskere ved Berkeley Labs Molecular Foundry. Rhenium disulfid, i modsætning til molybdændisulfid og andre dicalcogenider, opfører sig elektronisk, som om det var et 2D-monolag selv som et 3D-massemateriale. Dette åbner ikke kun døren til 2D elektroniske applikationer med et 3D-materiale, det gør det også muligt at studere 2D-fysik med 3D-krystaller, der er nemme at lave.

"Rheniumdisulfid forbliver en halvleder med direkte båndgab, dets fotoluminescensintensitet stiger, mens dets Raman -spektrum forbliver uændret, selv med tilføjelsen af ​​et stigende antal lag, " siger Junqiao Wu, en fysiker fra Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede denne opdagelse. "Dette gør bulk -krystaller af rheniumdisulfid til en ideel platform til sondering af 2D excitonisk og gitterfysik, omgå udfordringen med at forberede et stort område, enkeltkrystal monolag."

Wu, som også er professor ved University of California-Berkeleys afdeling for materialevidenskab og teknik, stod i spidsen for et stort internationalt team af samarbejdspartnere, der brugte faciliteterne på Molecular Foundry, et nationalt nanovidenskabscenter i US Department of Energy (DOE), at fremstille og karakterisere individuelle monolag af rheniumdisulfid. Gennem en række forskellige spektroskopiteknikker, de studerede disse monolag både som stablede flerlag og som bulkmaterialer. Deres undersøgelse afslørede, at det unikke ved rheniumdisulfid stammer fra en forstyrrelse i dets krystalgittersymmetri kaldet en Peierls -forvrængning.

"Halvledende overgangsmetal dichalcogenider består af monolag holdt sammen af ​​svage kræfter, " siger Sefaattin Tongay, hovedforfatter til et papir, der beskriver denne forskning i Naturkommunikation som Wu var den tilsvarende forfatter. Papiret fik titlen "Monolagsadfærd i bulk ReS2 på grund af elektronisk og vibrationsafkobling."

"Typisk monolagene i et halvledende overgangsmetal dichalcogenider, såsom molybdendisulfid, er relativt stærkt koblede, men isolerede monolag viser store ændringer i elektronisk struktur og gittervibrationsenergier, "Tongay siger." Resultatet er, at disse materialer i bulk er halvledere med indirekte mellemrum, og i enkeltlaget er de direkte mellemrum. "

Hvilken Tongay, Wu og deres samarbejdspartnere fandt i deres karakteriseringsstudier, at rheniumdisulfid indeholder syv valenselektroner i modsætning til de seks valenselektroner af molybdendisulfid og andre overgangsmetaldichalcogenider. Denne ekstra valenselektron forhindrer stærk mellemlagskobling mellem flere monolag af rheniumdisulfid.

"Den ekstra elektron deles til sidst mellem to rheniumatomer, som får atomerne til at bevæge sig tættere på hinanden, danner kvasi-en-dimensionelle kæder i hvert lag og skaber Peierls-forvrængning i gitteret, " siger Tongay. "Når Peierls-forvrængningen finder sted, mellemlagsregistret er stort set tabt, resulterer i svag mellemlagskobling og monolagsadfærd i bulken."

Rheniumdisulfids svage mellemlagskobling skulle gøre dette materiale meget anvendeligt i tribologi og andre lavfriktionsapplikationer. Da rheniumdisulfid også udviser stærke vekselvirkninger mellem lys og stof, der er typiske for monolagshalvledere, og da massen rheniumdisulfid opfører sig som om det var et monolag, det nye materiale skulle også være værdifuldt til solcelleanvendelser. Det kan også være et billigere alternativ til diamant til valleytronics.

I valleytronics, elektronens bølgekvantenummer i et krystallinsk materiale bruges til at kode information. Dette tal stammer fra spin og momentum for en elektron, der bevæger sig gennem et krystalgitter som en bølge med energitoppe og dale. Kodning af information, når elektronerne befinder sig i disse minimumsenergidale, tilbyder en meget lovende potentiel ny vej til kvanteberegning og ultrahurtig databehandling.

"Rheniumatomer har en relativt stor atomvægt, hvilket betyder, at elektron-spin-kredsløb-interaktioner er betydelige, "Tongay siger. "Dette kunne gøre rheniumdisulfid til et ideelt materiale til valleytronics-applikationer."

Samarbejdet ser nu på måder at tune egenskaberne af rheniumdisulfid i både monolag- og bulkkrystaller gennem manipulerede defekter i gitteret og selektiv doping. De søger også at legere rheniumdisulfid med andre medlemmer af dichalcogenid-familien.