Konkurrence om grafen:Forskere demonstrerer ultrahurtig ladningsoverførsel i ny familie af 2-D halvledere

(Phys.org)-Et nyt argument er netop blevet tilføjet til den voksende sag om, at grafen stødes af hans piedestal som den næste store ting i den højteknologiske verden af ​​de todimensionale halvledere kendt som MX2-materialer. Et internationalt samarbejde mellem forskere ledet af en videnskabsmand med US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporteret den første eksperimentelle observation af ultrahurtig ladningsoverførsel i foto-begejstrede MX2-materialer. Den registrerede ladningsoverførselstid klokket ind på under 50 femtosekunder, kan sammenlignes med de hurtigste tider, der er registreret for organisk fotovoltaik.

"Vi har demonstreret, for første gang, effektiv ladningsoverførsel i MX2 -heterostrukturer gennem kombineret fotoluminescenskortlægning og forbigående absorptionsmålinger, "siger Feng Wang, en kondenseret fysiker med Berkeley Labs Materials Sciences Division og University of California (UC) Berkeleys fysikafdeling. "Har kvantitativt bestemt ladningsoverførselstiden til at være mindre end 50 femtosekunder, vores undersøgelse tyder på, at MX2 heterostrukturer, med deres bemærkelsesværdige elektriske og optiske egenskaber og den hurtige udvikling af store områder syntese, har et stort løfte om fremtidige fotoniske og optoelektroniske applikationer. "

Wang er den tilsvarende forfatter til et papir i Naturnanoteknologi beskriver denne forskning. Papiret har titlen "Ultrahurtig ladningsoverførsel i atomtynde MoS2/WS2 -heterostrukturer." Medforfattere er Xiaoping Hong, Jonghwan Kim, Su-Fei Shi, Yu Zhang, Chenhao Jin, Yinghui Sun, Sefaattin Tongay, Junqiao Wu og Yanfeng Zhang.

MX2 monolag består af et enkelt lag af overgangsmetalatomer, såsom molybdæn (Mo) eller wolfram (W), klemt mellem to lag chalcogenatomer, såsom svovl (S). Den resulterende heterostruktur er bundet af den relativt svage intermolekylære attraktion kendt som van der Waals -kraften. Disse 2D halvledere har den samme sekskantede "honningkamede" struktur som grafen og superhurtig elektrisk konduktans, men, i modsætning til grafen, de har naturlige energibånd-huller. Dette letter deres anvendelse i transistorer og andre elektroniske enheder, fordi, i modsætning til grafen, deres elektriske ledningsevne kan slukkes.

"Ved at kombinere forskellige MX2 -lag sammen kan man kontrollere deres fysiske egenskaber, "siger Wang, som også er efterforsker ved Kavli Energy NanoSciences Institute (Kavli-ENSI). "For eksempel, kombinationen af ​​MoS2 og WS2 danner en type-II halvleder, der muliggør hurtig ladningsseparation. Adskillelsen af ​​fotoeksciterede elektroner og huller er afgørende for at drive en elektrisk strøm i en fotodetektor eller solcelle. "

Ved demonstration af de ultrahurtige ladningsseparationsmuligheder for atomtynde prøver af MoS2/WS2 -heterostrukturer, Wang og hans samarbejdspartnere har åbnet op for potentielt rige nye veje, ikke kun til fotonik og optoelektronik, men også til solceller.

"MX2 halvledere har ekstremt stærke optiske absorptionsegenskaber og sammenlignet med organiske fotovoltaiske materialer, har en krystallinsk struktur og bedre elektriske transportegenskaber, "Wang siger." Faktor i en femtosekunders ladningsoverførselshastighed og MX2 -halvledere giver en ideel måde at rumligt adskille elektroner og huller til elektrisk opsamling og udnyttelse. "

Wang og hans kolleger studerer den mikroskopiske oprindelse for ladningsoverførsel i MX2 -heterostrukturer og variationen i ladningsoverførselshastigheder mellem forskellige MX2 -materialer.

"Vi er også interesserede i at kontrollere ladningsoverførselsprocessen med eksterne elektriske felter som et middel til at udnytte MX2 -heterostrukturer i fotovoltaiske enheder, "Siger Wang.