Lyser ud:Sætter den omgivende lufts oxidation af monolag wolframdisulfid i seng

For at beskytte monolags halvlederovergangsmetal dichalcogenider (S-TMD'er) mod oxidation, de skal være fuldstændigt afskærmet mod lys, med selv kort eksponering, hvilket forårsager oxidation alvorlig nok til at beskadige elektriske kontakter og fuldstændig ødelægge optiske egenskaber.

En ny, Monash University-ledet samarbejde har vist, at oxidationen af ​​monolag af wolframdisulfid (WS2) under omgivende forhold skyldes absorptionen af ​​synlige bølgelængder af lys.

Det nye værk, i samarbejde med forskere fra USA. Naval Research Laboratory og University of Autonomous University of Madrid, informerer forskere, der arbejder på området, om disse materialers hidtil uopmærkede fotofølsomme natur, og endnu vigtigere, fungerer som en vejledning til fuldstændig at undgå oxidation i prøver udsat for omgivende forhold.

"Dette arbejde skal guide forskere i bedste praksis til fremstilling af S-TMD-enheder, "siger hovedforfatter, Mr. Jimmy Kotsakidis.

Mens oxidation af monolag halvlederovergangsmetal dichalcogenider (S-TMD'er) under omgivende forhold allerede vides at forekomme, mekanismen bag har ikke været klar.

Den nye undersøgelse viser for første gang, at oxidationen af ​​S-TMD WS2 under omgivende forhold kræver lys af passende bølgelængde:Oxidation er forårsaget af lys, der er energisk nok til at forårsage elektroniske overgange i WS2 - dvs. den observerede oxidation under omgivelsesbetingelser er fotoinduceret. Forskerne postulerer, at dette sker via to plausible mekanismer, Förster resonansenergioverførsel (FRET) og fotokatalyse. På grund af den lignende kemi af S-TMD'er, det menes, at den samme effekt skulle kunne observeres i MoS2 og andre S-TMD'er i samme materialefamilie.

Lysbølgelængder ved 660 nm eller derunder (dvs. synlige bølgelængder) viste sig at oxidere WS2 signifikant. I modsætning, prøver oxiderede ikke, hvis de blev udsat for 760 nm lys (med for lidt fotonenergi til at excitere elektroniske overgange i WS2), eller blev opbevaret i mørke (10 måneder), eller i en lys oplyst nitrogenatmosfære (7 dage).

"Denne vigtige effekt [fotooxidation] er blevet overset i S-TMD'er siden oxidationsundersøgelser begyndte i omkring 1955. Således, vi mener, at disse nye resultater vil have betydelige konsekvenser for tidligere, til stede, og fremtidige undersøgelser vedrørende S-TMD'er målt, opbevaret, eller manipuleret under omgivende forhold, " siger hr. Kotsakidis.

Atomisk tynde overgangsmetal dichalcogenider såsom WS2, har høstet stor interesse i løbet af det sidste årti på grund af deres ekstraordinære optiske og elektriske egenskaber og dermed, mulig brug i fremtidige elektroniske og optoelektroniske enheder.

Dette nye arbejde informerer forskere, der arbejder på området, om disse materialers hidtil uopmærkede fotofølsomme natur, og endnu vigtigere, fungerer som en vejledning til fuldstændig at undgå oxidation i prøver udsat for omgivende forhold. Mens tidligere undersøgelser har fundet ud af, at monolag S-TMD'er kan tage uger om synligt at oxidere, dette arbejde viser, at dette kan ske på så lidt som 7 dage selv under ultra-lave lysforhold.

"Forståelse af S-TMD'ers stabilitet under omgivelsesforhold og under lysbelysning, afgørende for målinger og manipulationer, der udføres under disse forhold, er afgørende for deres udvikling til potentielle applikationer, " siger medforfatter Prof Michael Fuhrer.

Forskerne studerede monolag af det halvledende overgangsmetal dichalcogenid (S-TMD) WS2 dyrket ved kemisk dampaflejring (CVD). Prøverne blev udsat for kontrollerede mængder lys, og derefter karakteriseret ved hjælp af optisk mikroskopi, laser scanning konfokal mikroskopi (LSCM), fotoluminescens (PL) spektroskopi, og atomkraftmikroskopi (AFM).

Forskerne fandt ud af, at monolag WS2 udsat for omgivende forhold i nærvær af omgivende lys udviste skader på grund af oxidation, som kunne påvises med LSCM og AFM, dog ikke var tydelig i konventionel optisk mikroskopi på grund af dårligere kontrast og opløsning.

Undersøgelsen observerede, at denne oxidation ikke var tilfældig og var korreleret med høj symmetri, højintensive kanter og rødforskudte områder i PL-spektroskopikortet - områder, der menes at indeholde en højere koncentration af svovl ledige pladser.

I modsætning, prøver holdt i mørke viste ingen tegn på oxidation i op til 10 måneder.

Forskerne udførte derefter kontrollerede eksponeringer for lys med meget lav stråling ved forskellige bølgelængder i lange perioder. Den lave intensitet forsikrede, at eventuelle skader ikke skyldtes opvarmning fra lyset. De fandt ud af, at prøver udsat for lys med nok fotonenergi til at excitere WS2 viste oxidation, mens fotonenergier under denne tærskelværdi ikke oxiderede WS2. Denne stærke bølgelængdeafhængighed og tilsyneladende mangel på irradiansafhængighed antyder, at omgivende oxidation af WS2 initieres af foton-medierede elektroniske båndovergange, det er, foto-oxidation.