Finjustering af todimensionale materialer

En ny forståelse af, hvorfor syntetiske 2-D-materialer ofte udfører størrelsesordener dårligere end forudsagt, blev nået af forskerteams ledet af Penn State. De søgte efter måder at forbedre disse materialers ydeevne i fremtidig elektronik, fotonik, og applikationer til hukommelseslagring.

To-dimensionelle materialer er film, der kun er et atom eller to tykke. Forskere laver 2-D-materialer ved eksfolieringsmetoden-skrælning af et stykke materiale fra et større massemateriale-eller ved at kondensere en gasforløber på et substrat. Den tidligere metode giver materialer af højere kvalitet, men er ikke nyttig til fremstilling af enheder. Den anden metode er veletableret i industrielle applikationer, men giver 2-D film med lav ydeevne.

Forskerne demonstrerede, for første gang, hvorfor kvaliteten af ​​2-D materialer dyrket ved den kemiske dampaflejringsmetode har dårlig ydeevne i forhold til deres teoretiske forudsigelser. De rapporterer deres resultater i et nyligt nummer af Videnskabelige rapporter .

"Vi dyrkede molybdendisulfid, et meget lovende 2-D materiale, på et safirunderlag, "sagde Kehao Zhang, en doktorand hos Joshua Robinson, lektor i materialevidenskab og teknik, Penn State. "Safir i sig selv er aluminiumoxid. Når aluminiumet er det øverste lag af substratet, den kan lide at opgive sine elektroner til filmen. Denne tunge negative doping - elektroner har negativ ladning - begrænser både intensiteten og bærerens levetid for fotoluminescens, to vigtige egenskaber til alle optoelektroniske applikationer, såsom solceller og fotosensorer. "

Når de fandt ud af, at aluminium opgav elektroner til filmen, de brugte et safirsubstrat, der blev skåret på en sådan måde, at det eksponerede iltet frem for aluminiumet på overfladen. Dette forbedrede fotoluminescensintensiteten og bærerens levetid med 100 gange.

I beslægtet arbejde, et andet forskerteam ledet af den samme Penn State -gruppe brugte dopingteknik, der erstatter fremmede atomer i filmens krystalgitter for at ændre eller forbedre materialets egenskaber. De rapporterede deres arbejde i denne uge i Avancerede funktionelle materialer .

"Folk har prøvet substitutionsdoping før, men fordi interaktionen mellem safirsubstratet screenede virkningerne af doping, de kunne ikke deconvolute virkningen af ​​doping, "sagde Zhang, som også var hovedforfatter på det andet papir.

Ved hjælp af den iltterminerede substratoverflade fra det første papir, teamet fjernede screeningseffekten fra substratet og dopede molybdendisulfid 2-D film med rheniumatomer.

"Vi dekonvoluerede rheniumdopingvirkningerne på materialet, "sagde Zhang." Med dette substrat kan vi nå op til 1 atomprocent, den højeste dopingkoncentration, der nogensinde er rapporteret. En uventet fordel er, at doping af rhenium i gitteret passiverer 25 procent af svovlpladsen, og svovlplaceringer er et mangeårigt problem med 2-D-materialer. "

Dopingen løser to problemer:Det gør materialet mere ledende til applikationer som transistorer og sensorer, og forbedrer samtidig materialernes kvalitet ved at passivere de defekter, der kaldes svovlplaceringer. Teamet forudser, at højere rheniumdoping fuldstændigt kan eliminere virkningerne af svovlplaceringer.

"Målet med hele mit arbejde er at skubbe dette materiale til teknologisk relevante niveauer, hvilket betyder at gøre det industrielt anvendeligt, "Sagde Zhang.