Forskere stabler oddsene for nye optoelektroniske 2-D-materialer

At stable lag af nanometer-tynde halvledende materialer i forskellige vinkler er en ny tilgang til at designe den næste generation af energieffektive transistorer og solceller. Atomer i hvert lag er arrangeret i sekskantede arrays. Når to lag stables og roteres, atomer fra et lag overlapper med dem i det andet lag og kan danne et uendeligt antal overlappende mønstre, ligesom Moiré -mønstrene, der opstår, når to skærme er overlejret, og den ene roteres oven på den anden. Teoretiske beregninger forudsiger fremragende elektroniske og optiske egenskaber for nogle stabelmønstre, men praktisk talt, hvordan kan disse mønstre laves og karakteriseres?

For nylig brugte et team ledet af forskere fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory vibrationerne mellem to lag til at dechiffrere deres stablingsmønstre. Teamet anvendte en metode kaldet lavfrekvent Raman-spektroskopi til at måle, hvordan lagene vibrerer i forhold til hinanden og sammenlignede frekvenserne af de målte vibrationer med deres teoretisk forudsagte værdier. Deres undersøgelse giver en platform til konstruktion af todimensionale (2D) materialer med optiske og elektroniske egenskaber, der er stærkt afhængige af stablingskonfigurationer. Resultaterne er offentliggjort i ACS Nano , et tidsskrift for American Chemical Society.

"Lavfrekvent Raman-spektroskopi, i kombination med modellering af første principper, tilbyder en hurtig og nem tilgang til at afsløre komplekse stablingskonfigurationer i de snoede dobbeltlag i en lovende halvleder, uden at stole på andre dyre og tidskrævende eksperimentelle teknikker, "sagde medlederforfatter Liangbo Liang, en Wigner -stipendiat hos ORNL. "Vi er de første til at vise, at lavfrekvente Raman-spektre kan bruges som fingeraftryk til at karakterisere det relative lag, der er stablet i halvledende 2D-materialer."

I Raman spredning, en optisk metode til at undersøge atomvibrationer, et materiale spreder monokromatisk lys fra en laser. Der henviser til, at konventionel Raman -spektroskopi kan sonde mere end cirka 3 billioner atomvibrationer pr. Sekund, lavfrekvent Raman-spektroskopi registrerer vibrationer, der er en størrelsesorden langsommere. Lavfrekvent teknik er følsom over for svage attraktionskræfter mellem lag, kaldet van der Waals kobling. Det kan give afgørende indsigt om lagtykkelse og stabling - aspekter, der styrer grundlæggende egenskaber ved 2D -materialer.

"Dette værk kombinerer topmoderne syntese og behandling af 2D-materialer, deres unikke spektroskopiske karakterisering, og datatolkning ved hjælp af teorier om første principper, "sagde medlederforfatter Alex Puretzky." Raman-spektroskopi i høj opløsning, der kan undersøge lavfrekvente tilstande, kræver specialiseret instrumentering, og kun få steder rundt om i verden har en sådan mulighed sammen med avancerede syntese- og karakteriseringsværktøjer, og ekspertise inden for teori og beregningsmodellering. Center for Nanophase Materials Sciences på ORNL er blandt dem. "

Kemisk dampaflejring, almindeligt anvendt til at syntetisere 2D -materialer som grafen, blev brugt til at lave perfekt trekantede krystalmonolag af molybdæn diselenid kun tre atomer tykke. Råstofmolekyler af molybdænoxid og svovl blev omsat i en flydende gas i en højtemperaturovn til dannelse af de trekantede krystaller på siliciumsubstrater.

"Mange parametre skal justeres korrekt for at syntetisere store, trekantede 2D -krystaller med succes, "Sagde Puretzky." Så, omhyggeligt at fjerne krystallerne og stable dem præcist i forskellige retninger er en stor udfordring. "

Han fortsatte, "Det præcise, ligesidet trekantet form af de syntetiserede og overførte krystaller tillod os at måle vridningsvinklerne med en høj præcision ved hjælp af standard optiske og atomkraftmikroskopibilleder, hvilket var en nøglefaktor i vores eksperimenter. "

Teoretiske og beregningsmæssige aspekter var også udfordrende. "Raman -spektroskopi er stærkt baseret på teori til fortolkning og tildeling af de observerede Raman -spektre, især for nye materialer, der aldrig før er blevet målt, "Sagde Puretzky.

Undersøgelsen afslørede mønstre i de stablede dobbeltlag, der er stærkt afhængige af vridningsvinklen. Nogle specifikke vridningsvinkler, selvom, viste periodisk gentagne patches med samme stablingsretning. "Disse unikke mønstre kan give en ny platform for optoelektroniske anvendelser af disse materialer, "Sagde Puretzky.

Teamets fund viste også fascinerende virkninger af vibrationerne mellem lagene. Da forskellige stablingsmønstre dukkede op, da lag blev forskudt, der opstod variable mellemrum mellem lagene ved nogle specifikke vridningsvinkler. Forskerne planlægger yderligere målinger og modellering for forskellige stablingskonfigurationer for bedre at forstå, hvordan disse vibrationsforfald kan ændre disse materialers termiske egenskaber - viden, der kan påvirke applikationer inden for varmeafledning og termoelektrisk energiomdannelse.