(In alto) Illustrazione di una molecola d'acqua che si lega in una vacanza di zolfo nel MoS2 dopo l'esposizione alla luce laser. (In basso) Aumento della fotoluminescenza (PL) osservato durante l'esposizione alla luce laser nell'ambiente. (Riquadro) Immagine a fluorescenza che mostra regioni illuminate che spiegano "NRL". Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti
Gli scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti hanno scoperto un nuovo metodo per passivare i difetti nei materiali ottici di prossima generazione per migliorare la qualità ottica e consentire la miniaturizzazione dei diodi emettitori di luce e di altri elementi ottici.
"Dal punto di vista della chimica, abbiamo scoperto una nuova reazione fotocatalitica utilizzando luce laser e molecole d'acqua, che è nuovo ed eccitante, " disse Saujan Sivaram, dottorato di ricerca, autore principale dello studio. "Da un punto di vista generale, questo lavoro consente l'integrazione di alta qualità, otticamente attivo, materiale atomicamente sottile in una varietà di applicazioni, come l'elettronica, catalizzatori elettrici, memoria, e applicazioni di calcolo quantistico".
Gli scienziati dell'NRL hanno sviluppato una tecnica di lavorazione laser versatile per migliorare significativamente le proprietà ottiche del bisolfuro di molibdeno monostrato (MoS 2 )—un semiconduttore a gap diretto—con un'elevata risoluzione spaziale. Il loro processo produce un aumento di 100 volte dell'efficienza di emissione ottica del materiale nelle aree "scritte" con il raggio laser.
Secondo Sivaram, strati atomicamente sottili di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), come MoS 2 , sono componenti promettenti per dispositivi flessibili, celle solari, e sensori optoelettronici grazie al loro elevato assorbimento ottico e al band gap diretto.
"Questi materiali semiconduttori sono particolarmente vantaggiosi nelle applicazioni in cui peso e flessibilità sono un vantaggio, " ha detto. "Purtroppo, le loro proprietà ottiche sono spesso altamente variabili e non uniformi, il che rende fondamentale migliorare e controllare le proprietà ottiche di questi materiali TMD per realizzare dispositivi affidabili ad alta efficienza".
"I difetti sono spesso dannosi per la capacità di questi semiconduttori monostrato di emettere luce, " Disse Sivaram. "Questi difetti agiscono come stati di trappola non radiativa, producendo calore invece di luce, perciò, rimuovere o passivare questi difetti è un passo importante verso dispositivi optoelettronici ad alta efficienza."
In un LED tradizionale, circa il 90% del dispositivo è un dissipatore di calore per migliorare il raffreddamento. I difetti ridotti consentono ai dispositivi più piccoli di consumare meno energia, che si traduce in una vita operativa più lunga per i sensori distribuiti e l'elettronica a bassa potenza.
I ricercatori hanno dimostrato che le molecole d'acqua passivano il MoS 2 solo se esposto a luce laser con un'energia superiore alla banda proibita del TMD. Il risultato è un aumento della fotoluminescenza senza spostamento spettrale.
Le regioni trattate mantengono una forte emissione di luce rispetto alle regioni non trattate che mostrano un'emissione molto più debole. Ciò suggerisce che la luce laser guida una reazione chimica tra le molecole di gas ambientale e il MoS 2 .
"Questo è un risultato notevole, " disse Berend Jonker, dottorato di ricerca, scienziato senior e ricercatore principale. "I risultati di questo studio aprono la strada all'uso di materiali TMD fondamentali per il successo dei dispositivi optoelettronici e rilevanti per la missione del Dipartimento della Difesa".
