Todimensionelt materiale ser ud til at forsvinde, men gør ikke

(Phys.org) – Når de udsættes for luft, et selvlysende 2D-materiale kaldet molybdæntellurid (MoTe ₂ ) ser ud til at nedbrydes inden for et par dage, mister sin optiske kontrast og bliver praktisk talt gennemsigtig. Men da videnskabsmænd undersøgte yderligere, de fandt ud af, at forsvinden er en illusion:materialet forbliver strukturelt stabilt, og kun dets materialeegenskaber ændres. Resultaterne afslører indsigt i miljøstabiliteten og usædvanlige egenskaber ved en nyere klasse af 2D -materialer kaldet overgangsmetaldichalcogenider (TMD'er).

Forskerne, ledet af Sefaattin Tongay, Adjunkt ved Arizona State University, har udgivet et papir om den skiftende luminescens i et nyligt nummer af ACS Nano .

"I øjeblikket, mange forskere over hele verden demonstrerer meget imponerende og lovende proof-of-concept-applikationer ved hjælp af 2D-materialesystemer, men vi kender stadig ikke deres materielle stabilitet over lange perioder, " fortalte Tongay Phys.org . "Denne forskning præsenterer det unikke tilfælde af MoTe ₂ , den eneste infrarøde rækkevidde TMD, hvor monolag visuelt forsvinder, men fysisk stadig er der."

Ligesom andre TMD'er, MoTe ₂ skiller sig ud med sine interessante optiske egenskaber. I masseform, TMD'er er ikke selvlysende, men når et-atom-lag-tykke flager eksfolieres fra massen, 2D -flagerne bliver halvledere og udsender lys temmelig kraftigt. Af denne grund, 2D halvledende TMD'er kan have applikationer inden for optoelektronik og solenergikonverteringsteknologier. Som den eneste TMD, der har et infrarødt båndgab, MoTe ₂ er særligt velegnet til infrarøde detektorer og tunnelfelteffekttransistorer.

Fordi 2D-materialer har et stort overflade-til-volumen-forhold, deres egenskaber kan blive påvirket af interaktioner mellem deres overflade og miljøet. Bemærk, at tellurforbindelser er særligt følsomme over for ilt, forskerne her ville undersøge, hvad der sker, når monolag MoTe ₂ er udsat for ilt i flere dage.

Forskerne begyndte med at observere materialet under et optisk mikroskop med en infrarød linse. De fandt ud af, at MoTe ₂ flager, der var meget selvlysende til at begynde med, bevarede deres lysstyrke i løbet af den 8-dages observationsperiode. På den anden side, svagt selvlysende flager så uventet ud til at falme inden for 1-3 dage, og dele af dem forsvandt helt.

Imidlertid, når man ser de "forsvindende" flager ved hjælp af et atomkraftmikroskop (AFM), som scanner prøver mekanisk i stedet for optisk, forskerne så flagerne "dukke op igen." Flagerne var aldrig forsvundet i første omgang, men deres optiske egenskaber havde ændret sig, mens deres kemiske struktur blev opretholdt.

Forskerne foreslår, at grunden til, at de svagt selvlysende flager ser ud til at forsvinde, er, at de har et stort antal defekter, især ledige stillinger på grund af manglende atomer. Disse ledige stillinger er grunden til, at flagerne har en lav startluminescens, og forklare også, hvorfor de mister deres luminescens, når de udsættes for ilt. Iltmolekyler (O ₂ ) fra luften bliver indlejret i disse defekter og binder til Mo og Te, danner "dybe tilstande", der grundlæggende fanger elektroner og huller, effektivt at forbyde luminescens. På den anden side, flager, der er meget selvlysende til at begynde med, har et lille antal defekter, så de ikke absorberer nær så mange iltmolekyler, lider ikke tab af luminescens, og deres optiske egenskaber forbliver tæt på deres egenskaber under vakuumforhold.

"Dette arbejde viser, at en lille mængde defekter i MoTe ₂ kan have stor indflydelse på deres materialeegenskaber, såsom optisk, elektriske, og vibrations, og disse ændringer sker gradvist over tid svarende til lagring af vin:afhængigt af defektkoncentrationen, MoTe ₂ monolag kan ødelægges over tid (eller kan blive bedre), " forklarede Tongay.

Resultaterne her viser, at defekterne spiller en væsentlig rolle for de optiske egenskaber og stabiliteten af ​​MoTe ₂ , og kunne også afsløre indsigt i miljøstabiliteten af ​​andre 2D-materialer, såsom silicen (2D silicium), phosphoren (2D-phosphor), og andre TMD'er. Det kunne også føre til måder at kontrollere disse materialers egenskaber på.

"Dette er en vigtig opdagelse, da det praktisk talt indebærer, at vi er i stand til at tune de optiske egenskaber af 2D MoTe ₂ ved at manipulere defektdensiteten i materialet og forhindre materialet i at miste sine iboende egenskaber ved at forbedre kvaliteten af ​​krystal, sagde Bin Chen, Ph.d.-studerende ved Arizona State University og hovedforfatter af papiret.

I fremtiden, forskerne planlægger at udforske og etablere stabiliteten af ​​andre 2D-materialesystemer, samt booste deres egenskaber ved molekylær funktionalisering gennem eksisterende eller bevidst skabte defektpunkter.

"På trods af opmuntrende resultater og imponerende ansøgninger, vores resultater peger på miljømæssig ustabilitet over en periode på en måned, " sagde Chen. "Vi håber at forstå dette og ideelt set overvinde disse udfordringer ved at bruge vores viden og ekspertise inden for materialevidenskab og teknik."

© 2015 Phys.org