At fjerne linjer af atomer i tynde elektroniske materialer skaber vener, der kan gavne solpaneler

Kunne tilføjelse af defekter gøre et godt materiale endnu bedre? Forskere har fundet ud af, at lineære defekter i en lovende tynd film skaber et atom-tykke metaltråde. Disse ledninger krydser det ellers intakte materiale, tilbyder en måde at kanalisere elektroner og fotoner på, små pakker lys. Et tværfagligt team gjorde denne opdagelse ved hjælp af ressourcer på Molecular Foundry og Advanced Light Source.

Holdet arbejdede med overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er), fordi materialerne har exceptionelle optiske egenskaber. Denne forskning fandt, at et enkelt TMD-lag kunne udsende lige så meget lys som et tilsvarende materiale, der er 10, 000 gange tykkere, baner vejen mod mindre, mere effektive enheder. Yderligere, holdet fandt ud af, at tekniske defekter (med vilje at indføre manglende eller fordrevne atomer) i TMD'er kunne ændre deres iboende egenskaber. Disse modifikationer kan forbedre materialet eller føre til helt nye nyttige egenskaber til fremtidig energiomdannelse, kvantecomputere og kommunikationssystemer.

I halvledernes verden, urenheder og defekter kan være en god ting. De ændrer egenskaberne af materialer som silicium, og videnskabsmænd kan udnytte disse egenskaber til at udvikle bedre transistorer til bærbare computere, smartphones, og solceller. For nylig, forskere opdagede en ny klasse af halvleder, der kun er tre atomer tyk og strækker sig i et todimensionalt plan, ligner grafen. Disse todimensionale halvledere, kaldet transition metal dichalcogenides (TMD'er), har exceptionelle optiske egenskaber. De kan udvikles til ultrafølsomme fotodetektorer, og et enkelt TMD-lag udsender lige så meget lys som en tredimensionel TMD-krystal bestående af 10, 000 lag.

I de sidste mange år, videnskabsmænd har spekuleret på, om urenheder og defekter også kunne ændre TMD'ers iboende egenskaber, måske på måder, der forbedrer halvlederen eller fører til nye funktionaliteter. Forskere ved Molecular Foundry, i samarbejde med forskere ved Advanced Light Source, har taget et stort skridt i retning af at besvare dette spørgsmål. De fandt - til deres overraskelse - ud af, hvordan væsentlige lineære defekter i TMD'er skaber helt nye egenskaber. Nogle af disse egenskaber indikerer, at defekter i TMD'er endda kan mediere superledende tilstande.

Holdet syntetiserede tre atomer tykke, rene lag af molybdændiselenid, som er en type TMD. Derefter studerede de materialet med et mikroskop, der kan visualisere atomer og deres elektroniske bølgefunktioner. De opdagede en lineær defekt dannet af en linje af manglende selenatomer. Denne defekt skaber et-atom-tykke metalliske ledninger til at transportere elektroner eller fotoner på tværs af de ellers intakte halvlederlignende årer.