(Sinistra) Grafico che mostra il cambiamento nella fotoluminescenza di MoS2 in seguito all'esposizione alla sola H2O, solo O2, e aria ambiente a pressioni di 7, 200, e 760 Torr, rispettivamente. (A destra) Figura che mostra la differenza di densità di carica tra MoS2 incontaminato e MoS2 adsorbito con O2. Credito:Sefaattin Tongay, et al. ©2013 American Chemical Society
(Phys.org) — La menzione di un materiale bidimensionale con eccellenti proprietà elettriche e ottiche può far pensare innanzitutto al grafene. Però, questa descrizione si adatta anche a un'altra classe di materiali chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD). Sebbene i TMD in forma sfusa siano stati studiati per decenni, prima ancora che fosse scoperto il grafene, solo di recente sono stati isolati in monostrati. Con i recenti progressi nella caratterizzazione dei nanomateriali, scienziati hanno riconosciuto il potenziale dei TMD monostrato in applicazioni come LED, conversione di energia ottica, e altre tecnologie optoelettroniche 2D.
I TMD monostrato sono semiconduttori a banda proibita diretta e, per tale motivo, dovrebbero essere buoni emettitori di luce. Ma così lontano, i TMD monostrato hanno emesso luce solo a basse intensità e basse efficienze. E poiché la fisica alla base dell'emissione di luce TMD monostrato è rimasta sfuggente, gli scienziati hanno trovato difficile apportare miglioramenti.
Ora un nuovo studio condotto dai ricercatori dei dipartimenti di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università della California, Berkeley, e MIT, nonché dall'Istituto di semiconduttori presso l'Accademia cinese delle scienze di Pechino, Cina, ha dimostrato un miglioramento dell'intensità di emissione luminosa dei TMD di un fattore 100. Lo studio è pubblicato in un recente numero di Nano lettere .
"Il significato di questo lavoro è la dimostrazione e la comprensione della modulazione della luce mediante gating molecolare ed elettrico, " coautore Sefaattin Tongay, un ricercatore post-dottorato a Berkeley, detto Phys.org . "Abbiamo presentato una comprensione dettagliata della modulazione osservata e raggiunto notevoli intensità di emissione di luce. Questi risultati hanno un impatto di vasta portata sul campo, poiché i TMD monostrato hanno un ampio rapporto superficie-volume e quindi sono molto sensibili alle condizioni ambientali. I nostri risultati stanno dimostrando una comprensione dettagliata dei cambiamenti nelle proprietà ottiche causate dall'interazione tra molecole di gas e TMD monostrato. Qui, stiamo sfruttando questa proprietà e modulando l'emissione di luce in modo reversibile fino a 100 volte con semplici metodi di gating a gas ed elettrici."
A differenza del grafene, che è un materiale organico costituito esclusivamente da atomi di carbonio, i TMD che gli scienziati hanno studiato qui sono materiali inorganici in cui ogni molecola è composta da un metallo di transizione e due calcogenuri. La loro formula chimica è MX 2 , con esempi comuni come MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 e WSe 2 .
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno prima preparato MoS . monostrato 2 fiocchi che erano solo 0,7 nm, o tre atomi, di spessore. Quindi, per rendere i fiocchi più sensibili alle molecole di gas, i ricercatori hanno ricotto i fiocchi ponendoli in una camera a vuoto ad alta temperatura. Dopo la ricottura, i fiocchi monostrato sono stati esposti a diversi tipi di gas a pressioni di gas controllate.
Dopo esposizione a H 2 Oh, oh 2 , o H 2 O e O 2 insieme, l'intensità dell'emissione luminosa dei fiocchi di MoS2 è aumentata di 10, 35, e 100 volte, rispettivamente. I ricercatori non hanno osservato lo stesso miglioramento in un gas inerte (N 2 e Ar) ambiente, il che suggerisce che l'effetto sembra essere direttamente correlato all'interazione tra l'O 2 e H 2 O e il TMD monostrato.
I ricercatori hanno anche scoperto che l'effetto è completamente reversibile quando il gas viene pompato fuori dalla camera, a quel punto l'intensità ritorna immediatamente al suo valore originale. Come hanno notato gli scienziati, l'intensità di emissione della luce reversibile è un criterio importante per varie applicazioni ottiche. La reversibilità suggerisce anche che l'O 2 e H 2 Le molecole di O sono fisisorbite anziché chemisorbite sulla superficie di MoS2. Come molecole assorbite fisicamente, la struttura molecolare rimane invariata, a differenza delle molecole assorbite chimicamente.
Ancora più interessante, i ricercatori hanno scoperto che mentre MoSe 2 mostra una sensibilità al gas simile a MoS 2 , WSe 2 mostra il comportamento opposto; questo è, la sua intensità di emissione luminosa diminuisce con l'esposizione a O 2 e/o H 2 O.
Queste osservazioni, insieme a simulazioni, ha permesso ai ricercatori di proporre un meccanismo fisico per spiegare l'effetto. pensano che, quando le molecole di gas vengono fisisorbite sul MoS 2 (o MoSe 2 ) superficie, alcuni degli elettroni liberi dalla superficie vengono trasferiti alle molecole di gas, esaurimento del MoS 2 (o MoSe 2 ) dei suoi elettroni liberi. Normalmente, gli eccitoni sulla superficie si legherebbero agli elettroni e diventerebbero "trioni" carichi negativamente. Ma senza gli elettroni liberi in eccesso, gli eccitoni rimangono neutri e stabili, promuovendo un'emissione di luce più intensa.
"Questa [modulazione] è possibile per il sistema che abbiamo studiato a causa della sua natura bidimensionale, che non solo fornisce il massimo rapporto superficie-volume (quindi i massimi siti superficiali per interagire con le molecole di gas), ma limita anche gli elettroni al grado che migliora notevolmente le interazioni tra gli elettroni, buchi e luce, " ha spiegato il coautore Junqiao Wu, professore all'Università della California, Berkeley.
Questo meccanismo spiega anche perché WSe2 mostra il comportamento opposto a MoS 2 e MoSe 2 . Il MoS 2 e MoSe 2 le superfici hanno elettroni liberi in primo luogo perché sono entrambi semiconduttori drogati di tipo n. WSe 2 , d'altra parte, è un semiconduttore drogato di tipo p e presenta lacune libere anziché elettroni. Quindi per WSe 2 , l'O 2 e/o H 2 O le molecole di gas fanno accumulare i fori, piuttosto che esaurirsi, sul WSe 2 superficie. Di conseguenza, il WSe 2 contiene ancora più trioni di prima che fosse esposto alle molecole di gas, che ne diminuisce l'intensità di emissione luminosa.
I ricercatori hanno anche dimostrato una modulazione dell'emissione di luce simile in dispositivi con cancello elettrico in un ambiente a gas controllato. Però, la modulazione in questo caso era trascurabile quando il dispositivo funzionava in condizioni di vuoto. La scoperta suggerisce che il gating elettrico può anche modulare l'emissione di luce controllando il fisisorbimento del gas sui TMD monostrato.
La capacità di controllare in modo reversibile l'intensità di emissione della luce dei TMD semiconduttori controllando la pressione del gas e il gating elettrico potrebbe avere effetti di vasta portata per i campi della fisica della materia condensata, ottica, Scienze dei materiali e Ingegneria, ed elettronica. I ricercatori prevedono che, con la nuova comprensione di come l'interazione tra gas e TMD monostrato influenzi le proprietà ottiche dei TMD, è possibile ottenere ulteriori miglioramenti nell'intensità dell'emissione luminosa. Ad esempio, sperimentando diverse molecole di gas, modificando la superficie del monostrato con agenti chimici che aumentano la sensibilità alle molecole di gas, e la creazione intenzionale di difetti puntuali nel monostrato per promuovere il fisisorbimento potrebbe aumentare ulteriormente l'intensità dell'emissione di luce, rendendo i TMD monostrato ancora più adatti alle applicazioni optoelettroniche.
Nel futuro, i ricercatori intendono lavorare allo sviluppo di nuovi materiali con caratteristiche insolite ingegnerizzandone le proprietà fisiche, come hanno fatto qui.
"Studiaremo gli effetti di eventuali imperfezioni in generale in tali semiconduttori bidimensionali, compresi i difetti atomici, effetti di substrato, così come le interazioni con gli adsorbati molecolari, " disse Wu.
© 2013 Phys.org
