Kommer til en skærm nær dig:En fejlfri, molekyle-tyk film

En spirende klasse af atomisk tynde materialer kendt som monolagshalvledere har skabt en masse buzz i materialevidenskabens verden. Monolag lover i udviklingen af ​​gennemsigtige LED-skærme, ultra højeffektive solceller, fotodetektorer og nanotransistorer. Deres ulempe? Filmene er notorisk fyldt med defekter, dræber deres præstationer.

Men nu er et forskerhold, ledet af ingeniører ved University of California, Berkeley, og Lawrence Berkeley National Laboratory, har fundet en enkel måde at rette disse defekter på ved at bruge en organisk supersyre. Den kemiske behandling førte til en dramatisk 100-fold stigning i materialets fotoluminescens kvanteudbytte, et forhold, der beskriver mængden af ​​lys, der genereres af materialet i forhold til mængden af ​​energi, der indsættes. Jo større lysemission er, jo højere kvanteudbytte og jo bedre materialekvalitet.

Forskerne øgede kvanteudbyttet for molybdændisulfid, eller MoS2, fra mindre end 1 procent op til 100 procent ved at dyppe materialet i en supersyre kaldet bistriflimid, eller TFSI.

Deres resultater, udgives i nummeret 27. november af Videnskab , åbner døren til den praktiske anvendelse af monolagsmaterialer, såsom MoS2, i optoelektroniske enheder og højtydende transistorer. MoS2 er kun syv tiendedele af en nanometer tyk. Til sammenligning, en streng af menneskelig DNA er 2,5 nanometer i diameter.

"Traditionelt jo tyndere materiale, jo mere følsom den er over for defekter, " sagde hovedefterforsker Ali Javey, UC Berkeley professor i elektroteknik og datalogi og en fakultetsforsker ved Berkeley Lab. "Denne undersøgelse præsenterer den første demonstration af et optoelektronisk perfekt monolag, som tidligere havde været uhørt i et så tyndt materiale."

Forskerne kiggede på supersyrer, fordi Per definition, de er løsninger med en tilbøjelighed til at "give" protoner, ofte i form af brintatomer, til andre stoffer. Denne kemiske reaktion, kaldet protonation, har den effekt, at de udfylder de manglende atomer på defektstedet, samt fjerner uønskede forurenende stoffer, der sidder fast på overfladen, sagde forskerne.

Co-lead forfattere af papiret er UC Berkeley Ph.D. studerende Matin Amani, besøger ph.d. studerende Der-Hsien Lien og postdoc Daisuke Kiriya.

De bemærkede, at forskere har forfulgt monolag halvledere på grund af deres lave absorption af lys og deres evne til at modstå drejninger, bøjninger og andre ekstreme former for mekanisk deformation, som kan muliggøre deres anvendelse i gennemsigtige eller fleksible enheder.

MoS2, specifikt, er karakteriseret ved molekylære lag, der holdes sammen af ​​van der Waals kræfter, en type atombinding mellem hvert lag, der er atomisk skarp. En ekstra fordel ved at have et materiale, der er så tyndt, er, at det er meget elektrisk indstilleligt. Til applikationer som LED-skærme, denne funktion kan gøre det muligt at lave enheder, hvor en enkelt pixel kunne udsende en lang række farver i stedet for kun én ved at variere mængden af ​​påført spænding.

Hovedforfatterne tilføjede, at effektiviteten af ​​en LED er direkte relateret til fotoluminescens kvanteudbytte, så, i princippet, man kunne udvikle højtydende LED-skærme, der er gennemsigtige, når de er slukket, og fleksible ved hjælp af de "perfekte" optoelektroniske monolag fremstillet i denne undersøgelse.

Denne behandling har også revolutionerende potentiale for transistorer. Efterhånden som enheder i computerchips bliver mindre og tyndere, defekter spiller en større rolle for at begrænse deres ydeevne.

"De defektfrie monolag, der er udviklet her, kunne løse dette problem ud over at give mulighed for nye typer lavenergiafbrydere, " sagde Javey.