Nye resultater afslører høj tunbarhed af 2-D-materiale, give den mest præcise båndgab-måling for monolag molysulfid

Todimensionelle materialer er en slags rookie-fænomen i det videnskabelige samfund. De er atomisk tynde og kan udvise radikalt anderledes elektroniske og lysbaserede egenskaber end deres tykkere, mere konventionelle former, så forskere strømmer til dette spæde felt for at finde måder at udnytte disse eksotiske egenskaber på.

Anvendelser for 2-D materialer spænder fra mikrochipkomponenter til supertynde og fleksible solpaneler og skærme, blandt en voksende liste over mulige anvendelser. Men fordi deres grundlæggende struktur i sagens natur er lille, de kan være vanskelige at fremstille og måle, og at matche med andre materialer. Så mens 2D-materialer R&D er i fremgang, der er stadig mange ubekendte om, hvordan man isolerer, forbedre, og manipulere deres mest eftertragtede kvaliteter.

Nu, et videnskabshold ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har præcist målt nogle tidligere skjulte egenskaber af molysulfid, et 2-D halvledende materiale også kendt som molybdændisulfid eller MoS2. Holdet afslørede også en kraftfuld tuning-mekanisme og et indbyrdes forhold mellem dets elektroniske og optiske, eller lysrelateret, ejendomme.

For bedst muligt at inkorporere sådanne enkeltlagsmaterialer i elektroniske enheder, ingeniører vil kende "bandgabet, "som er det mindste energiniveau, det tager at rykke elektroner væk fra atomerne, de er koblet til, så de flyder frit gennem materialet, da elektrisk strøm løber gennem en kobbertråd. At levere tilstrækkelig energi til elektronerne ved at absorbere lys, for eksempel, omdanner materialet til en elektrisk ledende tilstand.

Som rapporteret i udgaven af ​​25. august af Fysiske anmeldelsesbreve , forskere målte båndgabet for et monolag af molysulfid, som har vist sig at være vanskeligt at forudsige teoretisk, og fandt, at det var omkring 30 procent højere end forventet baseret på tidligere eksperimenter. De kvantificerede også, hvordan båndgabet ændres med elektrontæthed - et fænomen kendt som "båndgab-renormalisering."

"Den mest kritiske betydning af dette arbejde var at finde bandgabet, " sagde Kaiyuan Yao, en kandidatstuderende forsker ved Berkeley Lab og University of California, Berkeley, der fungerede som hovedforfatter af forskningspapiret.

"Det giver meget vigtig vejledning til alle optoelektroniske enhedsingeniører. De skal vide, hvad båndgabet er" for korrekt at forbinde 2-D-materialet med andre materialer og komponenter i en enhed, sagde Yao.

At opnå den direkte båndgab-måling udfordres af den såkaldte "exciton-effekt" i 2-D-materialer, der frembringes af en stærk parring mellem elektroner og elektron-"huller" - ledige positioner omkring et atom, hvor en elektron kan eksistere. Styrken af ​​denne effekt kan maskere målinger af båndgabet.

Nicholas Borys, en projektforsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, som også deltog i undersøgelsen, sagde undersøgelsen også løser, hvordan man tuner optiske og elektroniske egenskaber i et 2-D-materiale.

"Den virkelige kraft af vores teknik, og en vigtig milepæl for fysiksamfundet, er at skelne mellem disse optiske og elektroniske egenskaber, " sagde Borys.

Holdet brugte flere værktøjer på Molecular Foundry, et anlæg, der er åbent for det videnskabelige samfund og har specialiseret sig i at skabe og udforske materialer i nanoskala.

Molecular Foundry-teknikken, som forskere tilpassede til brug ved undersøgelse af monolag molysulfid, kendt som fotoluminescens excitation (PLE) spektroskopi, lover at bringe nye ansøgninger til materialet inden for rækkevidde, såsom ultrafølsomme biosensorer og mindre transistorer, og viser også lovende for på lignende måde at lokalisere og manipulere egenskaber i andre 2-D materialer, sagde forskere.

Forskerholdet målte både exciton- og båndgab-signalerne, og derefter løsnet disse separate signaler. Forskere observerede, hvordan lys blev absorberet af elektroner i molysulfidprøven, da de justerede tætheden af ​​elektroner, der var proppet ind i prøven, ved at ændre den elektriske spænding på et lag ladet silicium, der sad under molysulfidmonolaget.

Forskere bemærkede et lille "bump" i deres målinger, som de indså var en direkte måling af båndgabet, og gennem en række andre eksperimenter brugte deres opdagelse til at studere, hvordan båndgabet var let at justere ved blot at justere tætheden af ​​elektroner i materialet.

"Den store grad af tunability åbner virkelig folks øjne, " sagde P. James Schuck, som var direktør for Imaging and Manipulation of Nanostructures-faciliteten på Molecular Foundry under denne undersøgelse.

"Og fordi vi kunne se både bandgabets kant og excitonerne samtidigt, vi kunne forstå hver enkelt uafhængigt og også forstå forholdet mellem dem, " sagde Schuck, nu på Columbia University. "Det viser sig, at alle disse egenskaber er afhængige af hinanden."

Molysulfid, Schuck bemærkede også, er "ekstremt følsom over for sit lokale miljø, " hvilket gør den til en førsteklasses kandidat til brug i en række sensorer. Fordi den er meget følsom over for både optiske og elektroniske effekter, det kunne oversætte indkommende lys til elektroniske signaler og omvendt.

Schuck sagde, at holdet håber at bruge en række teknikker på Molecular Foundry til at skabe andre typer monolagsmaterialer og prøver af stablede 2D-lag, og for at opnå endelige målinger af båndgab for disse, også. "Det viser sig, at ingen endnu kender bandhullerne for nogle af disse andre materialer, " han sagde.

Holdet har også ekspertise i brugen af ​​en nanoskala-sonde til at kortlægge den elektroniske adfærd på tværs af en given prøve.

Borys tilføjede, "Vi håber bestemt, at dette arbejde afføder yderligere undersøgelser af andre 2-D halvledersystemer."

Molecular Foundry er en DOE Office of Science User Facility, der giver gratis adgang til avanceret udstyr og tværfaglig ekspertise inden for nanoskalavidenskab til besøgende forskere.

Forskere fra Kavli Energy NanoSciences Institute ved UC Berkeley og Berkeley Lab, og fra Arizona State University deltog også i denne undersøgelse, som blev støttet af National Science Foundation.