Syntese af pseudo-1D halvleder giver indsigt i anisotrope 2D materialer

(Phys.org)—For første gang, forskere har syntetiseret halvledende galliumtellurid (GaTe) i den monokliniske fase som et pseudo-endimensionelt (pseudo-1D) materiale. Denne nye klasse af materialer er karakteriseret ved kvasi-1D kæder af atomer, der løber i en bestemt retning langs en 2D overflade.

Forskerne, ledet af Sefaattin Tongay, assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Arizona State University, har udgivet et papir om den første syntese af pseudo-1D GaTe-materialet i et nyligt nummer af Avancerede materialer .

"Dette er den første demonstration af syntesen af ​​anisotrope GaTe nanomaterialer, " fortalte Tongay Phys.org . "Ud over disse nye syntesebestræbelser, vi har også givet den første atomare indsigt i, hvordan atomer i to dimensioner arrangerer sig selv i pseudo-1D-kæder i planet, og undersøgte deres anisotrope optiske egenskaber."

Indtil nu, forskning på dette område har været begrænset, med kun få undersøgelser, der har undersøgt GaTe ved at isolere 2D monolag fra bulkkrystaller. Det aktuelle værk tilbyder nye veje til storstilet syntese og antyder spændende nye fænomener.

Syntetisering af GaTe i pseudo-1D-formen har været udfordrende på grund af materialets store krystallinske anisotropi. Her, forskerne brugte en fysisk damptransportteknik, hvor høje temperaturer og lave tryk i en rørovn omdanner halvlederpulveret til dets pseudo-1D form.

En særlig interessant egenskab, der stammer fra den unikke krystalstruktur af den nye form for GaTe, er, at atomkæderne deler hver enkelt GaTe-flage i en sløjfeform bestående af fire separate domæner med forskellige krystalorienteringer.

På hvert af disse forskellige domæner, materialet har en anden kædeorientering, resulterer i forskellig anisotrop adfærd. For eksempel, eksperimenter viste, at den maksimale lysemissionsintensitet varierer afhængigt af domænet, tilbyder en vej mod udvikling af fotonikapplikationer.

Forskerne demonstrerede den skalerbare vækst af pseudo-1D GaTe på tre forskellige industrielt kompatible substrater, og fandt ud af, at morfologien af ​​GaTe nanostrukturerne afhænger stærkt af substratet.

For eksempel, de fandt ud af, at GaTe-kæder vokser meget mere tilfældigt på safir end på silicium og galliumarsenid, med det resultat, at GaTe-atomer, der ligger på safiroverfladen, kan bevæge sig meget friere rundt.

GaTe nanostrukturerne på safir har også visse defekter, der forårsager en meget effektiv, smal optisk emissionsspids under båndkantemissionen, hvilket er i modsætning til de brede defektemissioner, der normalt findes i halvledere.

Resultatet af, at pseudo-1D GaTe er den eneste kendte form for GaTe, der udsender skarp luminescens under det optiske båndgab, kan tilbyde et udgangspunkt for defektkonstruktion til optoelektronikapplikationer.

"Jeg tror, ​​at den største betydning ligger i opdagelsen af ​​den flerfarvede emission, især den skarpe sub-band emission, der slet ikke ligner en defekt emission, " sagde medforfatter Hui Cai, en ph.d.-studerende ved Arizona State University. "Disse emissioner kan stamme fra mellemliggende bånd, som har fået stor opmærksomhed i ZnTeO og CuGaS ₂ men aldrig i GaTe. Dette kan være det første eksperimentelle fingeraftryk, som mellemliggende bånd også findes i GaTe med visse former for defekter."

Forskerne forventer, at på grund af dets unikke optiske egenskaber, pseudo-1D GaTe kan have en række fremtidige applikationer.

"På grund af eksistensen af ​​optisk aktive tilstande under mellemrummet, den syntetiserede GaTe kan være en potentiel kandidat til mellembåndssolceller, " sagde Cai. "Den kan fange fotoner i det nær-infrarøde område, hvis energi er lavere end dens båndgab. Udover dette, det absorberer lys polariseret langs dets kæderetning og er transparent for lys polariseret vinkelret på denne retning. Det har således potentielle anvendelser i lineære polarisatorer og polariserede fotodetektorer."

Det nye materiale har også potentielle anvendelser til den polariserede lette industri.

"Disse materialer tilbyder unikke egenskaber, der bygger bro mellem mange slags endimensionelle materialer, ligesom kulstof nanorør, nanotråde, etc., og konventionelle 2D-materialer såsom grafen, MoS ₂ , og GaSe, " sagde Tongay. "På grund af deres store krystallinske anisotropi og anisotrope fysiske egenskaber, de kan potentielt tilbyde polarisationsfølsomme optiske egenskaber, dikroisme, stærkt ledende elektroniske bærere, og høj termisk ledning langs deres anisotropi retning. Vi forventer, at polarisationsfølsomme fotoniske applikationer, enkelt foton emittere, og transistorer med høj elektronmobilitet vil sandsynligvis dukke op fra disse materialer."

© 2016 Phys.org