Model forudsiger nøjagtigt de elektroniske egenskaber af en kombination af 2-D halvledere

Den definerende egenskab ved en halvleder er dens såkaldte båndgap:barrieren, der forhindrer elektroner inden for et specifikt energiområde i at strømme gennem et materiale. Saudi-Arabiens kong Abdullah University of Science and Technology (KAUST) Professor i materialevidenskab og teknik Lance Li og hans team samarbejdede med kolleger fra Taiwan og brugte en simpel model til at bestemme bandets tilpasning i en spændende ny klasse af halvledere kaldet todimensionel overgang -metal dichalcogenider (TMD'er).

Det enkle koncept med bandgap muliggør et enkelt halvledende materiale, såsom silicium, at udføre de operationer, der kræves af elektroniske enheder; imidlertid, når to eller flere halvledere kombineres, enheden giver en bredere vifte af funktioner og kan prale af forbedret ydeevne og effektivitet. For at forstå, hvordan sådanne heterostrukturer opfører sig, det er afgørende at vide, hvordan båndgabet mellem de to materialer flugter.

Selvom grafen og TMD'er alle er atomtynde, manglen på en båndgap i grafen begrænser dets anvendelse til elektronik, mens tilstedeværelsen af ​​en båndgap i TMD'er gør det muligt at stable dem i heterostrukturer. Det er, imidlertid, svært at eksperimentelt bestemme båndjustering mellem disse lag, fordi resultaterne afhænger af kvaliteten af ​​skrøbelige TMD'er. Li og hans team har nu bevist, at konceptet kendt som Anderson-modellen, en enkel, beregningsmæssigt billig måde at bestemme båndjustering på, gælder for dette system.

Anderson-modellen antager, at når to halvledere placeres sammen, de deler et fælles nul i deres energibåndstruktur kendt som vakuumniveauet. Båndgap-justering kan derefter bestemmes direkte ud fra beregnede værdier af båndgab og offsets. Indtil nu, det var uklart, om denne antagelse ville holde stik i atomlag TMD'er.

Li og hans team adresserede dette ved at måle energien af ​​båndgabet i tre TMD'er, molybdæn disulfid, wolframdisulfid og wolframdiselenid, ved hjælp af en metode kaldet ultraviolet fotoelektronspektroskopi. De anvendte derefter Anderson-modellen til at forudsige båndjusteringen. De sammenlignede disse beregnede værdier med direkte eksperimentelle målinger fra røntgenfotoelektronspektroskopi af molybdæn-disulfid-wolfram-disulfid og molybdæn-disulfid-wolfram-diselenid heterostrukturer.

Overensstemmelse mellem værdierne opnået ved de to metoder indikerede, at Anderson-modellen holder stik. Holdet antyder, at dette er på grund af unikke van der Waals overflader, som sikrer et fravær af dinglende atombindinger, der ellers ville forhindre vakuumniveauerne i de to materialer i at flugte.

"Vores næste skridt er at bygge heterojunctions baseret på viden opnået fra teorien, "siger Li." Vi vil undersøge flere heterostrukturer til forskellige applikationer, såsom solceller og lysemitterende dioder."