Edgy kig på 2-D molybdendisulfid

(Phys.org) — Driften til at udvikle ultrasmå og ultrahurtige elektroniske enheder ved hjælp af et enkelt atomlag af halvledere, såsom overgangsmetal dichalcogenider, har fået et markant løft. Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har registreret de første observationer af en stærk ikke -lineær optisk resonans langs kanterne af et enkelt lag molybdendisulfid. Eksistensen af ​​disse kanttilstande er nøglen til brugen af ​​molybdendisulfid i nanoelektronik, samt en katalysator for hydrogenudviklingsreaktionen i brændselsceller, afsvovling og andre kemiske reaktioner.

"Vi observerede stærke ikke-lineære optiske resonanser ved kanterne af en todimensionel krystal af molybdendisulfid," siger Xiang Zhang, en fakultetsforsker med Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede denne undersøgelse. "Disse endimensionelle kanttilstande er resultatet af elektroniske strukturændringer og kan muliggøre nye nanoelektronik og fotoniske enheder. Disse kanter har også længe været mistænkt for at være de aktive steder for den elektrokatalytiske hydrogenudviklingsreaktion i energianvendelser. Vi opdagede også ekstraordinært andet harmoniske lysgenereringsegenskaber, der kan bruges til in situ-overvågning af elektroniske ændringer og kemiske reaktioner, der opstår ved de endimensionelle atomkanter. "

Zhang, som også har Ernest S. Kuh Endowed Chair Professor ved University of California (UC) Berkeley og leder National Science Foundations Nano-scale Science and Engineering Center, er den tilsvarende forfatter til et papir i Videnskab beskriver denne forskning. Papiret har titlen "Edge Nonlinear Optics on a MoS2 Atomic Monolayer". Medforfattere er Xiaobo Yin, Ziliang Ye, Daniel Chenet, Yu Ye, Kevin O'Brien og James Hone.

Nye todimensionelle halvledere er værdsat i elektronikindustrien for deres overlegne energieffektivitet og kapacitet til at bære meget højere strømtætheder end silicium. Kun et enkelt molekyle tykt, de er velegnede til integrerede optoelektroniske enheder. Indtil for nylig, grafen har været den uimodsagte superstjerne af 2D-materialer, men i dag er der stor opmærksomhed fokuseret på 2D halvledende krystaller, der består af et enkelt lag af overgangsmetalatomer, såsom molybdæn, wolfram eller niob, klemt mellem to lag af chalkogen atomer, såsom svovl eller selen. Med den samme flade sekskantede "bikage" -struktur som grafen og mange af de samme elektriske fordele, disse overgangsmetal -dichalcogenider, i modsætning til grafen, har direkte energibåndgap. Dette letter deres anvendelse i transistorer og andre elektroniske enheder, især lysdioder.

Fuld realisering af det enorme potentiale af overgangsmetal-dichalcogenider vil kun komme med en bedre forståelse af domæneorienteringerne af deres krystalstrukturer, der giver anledning til deres exceptionelle egenskaber. Indtil nu, imidlertid, eksperimentel billeddannelse af disse tre atom-tykke strukturer og deres kanter har været begrænset til at scanne tunnelmikroskopi og transmissionselektronmikroskopi, teknologier, der ofte er svære at bruge. Ikke-lineær optik ved krystalkanterne og -grænserne gjorde det muligt for Zhang og hans samarbejdspartnere at udvikle en ny billeddannelsesteknik baseret på anden-harmonisk generation (SHG) lysemissioner, der let kan fange krystalstrukturer og kornorienteringer med et optisk mikroskop.

"Vores ikke-lineære optiske billeddannelsesteknik er en ikke-invasiv, hurtig, nem metrologisk tilgang til studiet af 2D atomare materialer, "siger Xiaobo Yin, hovedforfatteren af Videnskab papir og et tidligere medlem af Zhangs forskningsgruppe, som nu er på fakultetet ved University of Colorado, Kampesten. "Vi behøver ikke at forberede prøven på noget specielt substrat eller vakuummiljø, og målingen vil ikke forstyrre prøven under billeddannelsesprocessen. Denne fordel giver mulighed for in-situ målinger under mange praktiske forhold. Desuden, vores billedbehandlingsteknik er en ultrahurtig måling, der kan give kritisk dynamisk information, og dens instrumentering er langt mindre kompliceret og billigere sammenlignet med scanning tunnelmikroskopi og transmissionselektronmikroskopi."

Til SHG -billeddannelse af molybdendisulfid, Zhang og hans samarbejdspartnere belyste prøve membraner, der kun er tre atomer tykke med ultrahurtige impulser af infrarødt lys. De ikke -lineære optiske egenskaber af prøverne gav en stærk SHG -respons i form af synligt lys, der er både afstemt og sammenhængende. De resulterende SHG-genererede billeder gjorde det muligt for forskerne at detektere "strukturelle diskontinuiteter" eller kanter langs 2D-krystallerne kun få atomer brede, hvor den translationelle symmetri af krystallen var brudt.

"Ved at analysere de polariserede komponenter i SHG -signalerne, vi var i stand til at kortlægge krystalorienteringen af ​​atommembranen af ​​molybdendisulfid, "siger Ziliang Ye, co-lead forfatter af papiret og nuværende medlem af Zhangs forskningsgruppe. "Dette tillod os at fange et komplet kort over krystallkornstrukturer, farvekodet i henhold til krystalorientering. Vi har nu en realtid, ikke-invasivt værktøj, der giver os mulighed for at udforske det strukturelle, optisk, og elektroniske egenskaber af 2D-atomlag af overgangsmetal dichalcogenider over et stort område."