Overraskende opdagelser om 2-D molybdændisulfid

Forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har brugt en unik nano-optisk sonde til at studere effekterne af belysning på todimensionelle halvledere på molekylært niveau. Arbejder på Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet, det videnskabelige hold brugte "Campanile"-sonden de udviklede til at gøre nogle overraskende opdagelser om molybdændisulfid, et medlem af en familie af halvledere, kaldet "transition metal dichalcogenides (TMDC'er), hvis optoelektroniske egenskaber lover meget for fremtidige nanoelektroniske og fotoniske enheder.

"Campanile-sondens bemærkelsesværdige opløsning gjorde det muligt for os at identificere betydelig optoelektronisk heterogenitet i nanoskala i de indre områder af monolagskrystaller af molybdændisulfid, og en uventet, cirka 300 nanometer bred, energisk forstyrret kantområde, " siger James Schuck, en stabsforsker hos Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab. Schuck ledede denne undersøgelse såvel som holdet, der skabte Campanile-sonden, som vandt en prestigefyldt R&D 100 Award i 2013 for at kombinere fordelene ved scan/probe-mikroskopi og optisk spektroskopi.

"Dette uordnede kantområde, som aldrig er set før, kunne være ekstremt vigtigt for enhver enhed, hvor man ønsker at skabe elektriske kontakter, " siger Schuck. "Det kan også vise sig at være afgørende for fotokatalytiske og ikke-lineære optiske konverteringsapplikationer."

Schuck, der leder Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility på Molecular Foundry, er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i Naturkommunikation . Artiklen har titlen "Visualisering af excitoniske afslapningsegenskaber i nanoskala af uordnede kanter og korngrænser i monolag molybdændisulfid." Medforfatterne er Wei Bao og Nicholas Borys. (Se nedenfor for en komplet liste over forfattere.)

2D-TMDC'er konkurrerer med grafen som potentielle efterfølgere til silicium til den næste generation af højhastighedselektronik. Kun et enkelt molekyle i tykkelse, 2D-TMDC-materialer kan prale af overlegen energieffektivitet og en kapacitet til at bære meget højere strømtætheder end silicium. Imidlertid, siden deres eksperimentelle "opdagelse" i 2010, ydeevnen af ​​2D-TMDC materialer har haltet langt bagefter teoretiske forventninger, primært på grund af manglende forståelse af 2D-TMDC egenskaber på nanoskala, især deres excitoniske egenskaber. Excitoner er bundne par af exciterede elektroner og huller, der gør det muligt for halvledere at fungere i enheder.

"Den dårlige forståelse af 2D-TMDC excitoniske og andre egenskaber på nanoskala er i høj grad forankret i de eksisterende begrænsninger for nanospektroskopisk billeddannelse, " siger Schuck. "Med vores Campanile-sonde, vi overvinder næsten alle tidligere begrænsninger af nærfeltsmikroskopi og er i stand til at kortlægge kritiske kemiske og optiske egenskaber og processer på deres oprindelige længdeskalaer."

Campanile-sonden, som trækker sit navn fra det vartegn "Campanile" klokketårn på campus ved University of California i Berkeley, har en tilspidset, firesidet mikroskopisk spids, der er monteret på enden af ​​en optisk fiber. To af Campaniles sider er belagt med guld, og de to guldlag er adskilt med kun et par nanometer i spidsen. Det tilspidsede design gør det muligt for Campanile-sonden at kanalisere lys af alle bølgelængder ned i et forstærket felt ved spidsens spids. Størrelsen af ​​mellemrummet mellem guldlagene bestemmer opløsningen, som kan være under den optiske diffraktionsgrænse.

I deres nye undersøgelse, Schuck, Bao, Borys og deres medforfattere brugte Campanile-sonden til spektroskopisk at kortlægge exciterede tilstande/afslapningsprocesser i nanoskala i monolagskrystaller af molybdændisulfid, der blev dyrket ved kemisk dampaflejring (CVD). Molybdændisulfid er en 2D-halvleder, der har høj elektrisk ledningsevne, der kan sammenlignes med grafen, men, i modsætning til grafen, har naturlige energibåndgab, hvilket betyder, at dens ledningsevne kan slås fra.

"Vores undersøgelse afslørede betydelig optoelektronisk heterogenitet i nanoskala og gjorde det muligt for os at kvantificere exciton-dæmpende fænomener ved krystalkorngrænser, " sagde Schuck. "Opdagelsen af ​​den uordnede kantregion udgør et paradigmeskift fra ideen om, at kun en 1D metallisk kanttilstand er ansvarlig for al den kantrelaterede fysik og fotokemi, der observeres i 2D-TMDC'er. Det, der sker ved kanterne af 2D-TMDC-krystaller, er klart mere kompliceret end som så. Der er en mesoskopisk forstyrret region, der sandsynligvis dominerer det meste transport, ikke-lineær optisk, og fotokatalytisk adfærd nær kanterne af CVD-dyrkede 2D-TMDC'er."

I dette studie, Schuck og hans kolleger opdagede også, at den uordnede kantregion i molybdændisulfidkrystaller rummer en svovlmangel, der har konsekvenser for fremtidige optoelektroniske anvendelser af denne 2D-TMDC.

"Mindre svovl betyder, at der er flere frie elektroner til stede i det kantområde, som kunne føre til øget ikke-strålende rekombination, "Siger Schuck. "Forbedret ikke-strålende rekombination betyder, at excitoner, der er skabt i nærheden af ​​en svovltomgang, ville leve i en meget kortere periode."

Schuck og hans kolleger planlægger næste gang at studere de excitoniske og elektroniske egenskaber, der kan opstå, såvel som skabelsen af ​​p-n-kryds og kvantebrønde, når to forskellige typer TMDC'er er forbundet

"Vi kombinerer også 2D-TMDC-materialer med såkaldte metaoverflader til at kontrollere og manipulere de daltilstande og cirkulære emittere, der findes i disse systemer, såvel som at udforske lokaliserede kvantetilstande, der kunne fungere som næsten ideelle enkeltfoton-emittere og kvante-sammenfiltrede Qubit-tilstande, " siger Schuck.