Et nyt twist på 2D-materialer kan føre til forbedrede elektroniske, optiske enheder

En ny generation af elektronik og optoelektronik kan snart være mulig ved at kontrollere vridningsvinkler i en bestemt type tolags 2D-materiale, der bruges i disse enheder, hvilket styrker den iboende elektriske ladning, der eksisterer mellem de to lag, ifølge forskere fra Penn State, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology og Rutgers University.

Forskerne arbejdede med regulære overgangsmetal dichalcogenides (TMD) 2D-materialer og Janus TMD'er, en klasse af 2D-materialer opkaldt efter den romerske dualitetsgud, Janus. Disse tolags 2D-materialer har en interaktion mellem lag kendt som en van der Waals mellemlagskobling, der fører til en ladningsoverførsel, en proces, der er vigtig for funktionaliteten af ​​elektroniske enheder. Ladningsoverførslen for begge sider af konventionelle TMD'er er den samme, da hver side har den samme type atomer. I tilfælde af Janus TMD-materialer er atomerne på hver side af materialet forskellige typer, hvilket fører til varieret ladningsoverførsel, når hver side er i kontakt med andre 2D-materialer.

"I vores undersøgelse var de to typer atomer på hver side af Janus TMD-materialet svovl og selen," sagde Shengxi Huang, assisterende professor i elektroteknik og biomedicinsk teknik ved Penn State og medforfatter af undersøgelsen, der for nylig blev offentliggjort i ACS Nano . "Fordi de er forskellige, kan der være en ladningsadskillelse eller ladningsubalance for over- og undersiden. Det skaber et vertikalt rettet iboende elektrisk felt, der er meget forskelligt fra konventionelle 2D-materialer."

I tidligere forskning arbejdede Huang og de andre forskere på at forstå, om dette iboende elektriske felt ville påvirke tilstødende 2D-materialer, når de er lagdelt. De fandt ud af, at koblingen er stærkere i Janus 2D materialer end traditionelle 2D materialer, på grund af den asymmetriske ladning forårsaget af de forskellige typer atomer på hver side.

Til det nuværende arbejde stablede de manuelt to typer materialelag, Janus TMD og almindelige 2D-materialer, hvilket forårsagede tilfældige vinkler afhængigt af, hvordan de blev stablet. Men da de indstillede vinklerne for, hvordan hvert lag blev stablet i bestemte grader, gjorde de en interessant opdagelse. Hvis de trekantformede materialer er snoet for at stable i en nul graders vinkel, når de er perfekt justeret, eller i en 60 graders vinkel, når de er det stik modsatte af perfekt justering, fandt de, at koblingerne var meget stærkere end i tilfældige vinkler. Derudover fandt de også, at mellemlagskoblingen er stærkere, når Janus TMD er lagt på den konventionelle TMD med samme type element.

"Det vigtigste fund var, at for den samme svovl/svovl-grænseflade er mellemlagskoblingen meget stærkere end svovl/selen-grænsefladen," sagde Huang. "Og det er på grund af ladningsfordelingen relateret til dipolretningen i disse atomer. Det betyder, at der kan være en effektiv ladningsoverførsel mellem de to lag. Baseret på vores beregning er adskillelsen, hvilket betyder afstanden mellem mellemlagene, meget mindre , så det viser, at der er en stærkere kobling."

For at opdage dette brugte Huang og holdet lavfrekvent Raman-spektroskopi. De skinnede lys på de to lag af 2D-materialer, hvilket fik materialernes atomer til at vibrere. Hvis vibrationen er hurtigere og med højere frekvens, indikerer det, at mellemlagskoblingen er stærk.

"Du kan forestille dig dette ved at bruge en fjeder, der forbinder to bolde," sagde Huang. "Hvis fjederen vibrerer virkelig hurtigt, betyder det, at denne fjeder er stærk."

Den anden metode, som holdet brugte under sin forskning, var fotoluminescensspektroskopi. Når to lag af 2D-materiale udveksler ladninger mellem hinanden, vil lysemissionsintensiteten i et af materialerne falde. Dette skyldes, at der er nogle ladninger, der overføres til det andet lag, og der er ikke nok ladning til, at fotoluminescensen kan ske i det "sendende" lag.

"Vi brugte dette som et mål for graden af ​​ladningsoverførsel mellem de to lag," sagde Kunyan Zhang, doktorkandidat i elektroteknik ved Penn State og medforfatter i undersøgelsen. "Disse resultater, vi fik fra lysemissionen, stemmer overens med vores lavfrekvente Raman-spektroskopi. Hvor vi ser en stærkere kobling fra atomvibrationen, ser vi også et større fald i lysemissionen."

Disse resultater er vigtige for udviklingen af ​​elektronik og optoelektronik. Styring af mellemlagskoblingen og induktion af forskellig optisk og/eller elektronisk adfærd har stor betydning for ydeevnen af ​​mange optoelektroniske og elektroniske enheder.

"Disse nye materialeevner kan påvirke mange applikationer, lige fra optoelektronik til elektroniske enheder til katalytiske evner i elektrokemiske enheder såsom batterier," sagde Huang. "Disse enheder er overalt i vores hverdag, såsom belysning, elektronik, apparater og batterier."

Fortsat arbejde i dette forskningsområde vil omfatte, hvordan mellemlagskoblingen påvirker andre typer materialer. Derudover kan deres resultater være nyttige for andre forskere i fremtiden.

"Folk uden for vores felt kunne drage fordel af vores undersøgelse," sagde Zhang. "Tuning af denne form for indvendig kobling ved hjælp af grænsefladen med vridningsvinkler blev ikke undersøgt før. Disse resultater kan være slående for andre inden for 2D-området, hvis arbejde ikke involverer Janus TMD'er." + Udforsk yderligere

Skræddersy 2D-materialer for at forbedre elektroniske og optiske enheder