Lo spettro di fotoluminescenza a 77K per MoS2 e MoS2 incontaminati con difetti creati da due diverse dosi di irradiazione. I difetti aumentano l'intensità del picco di fotoluminescenza originale (X0) e creano un nuovo picco (XB). Attestazione:Tongay, et al. ©2013 Natura
Quando gli scienziati rimuovono i singoli atomi in un materiale semiconduttore, i posti vacanti risultanti diventano difetti puntuali. Contrariamente a quanto implica il loro nome, questi difetti possono avere effetti benefici sulle proprietà del semiconduttore e abilitare la maggior parte delle funzionalità dei materiali elettronici. In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che i difetti puntuali nei semiconduttori 2D determinano un aumento dell'intensità complessiva della fotoluminescenza a temperatura ambiente. Ulteriore, i difetti creano un nuovo picco di emissione che potrebbe portare a una migliore comprensione della fisica dei difetti nei semiconduttori 2D, nonché applicazioni future come i dispositivi a emissione di luce multicolore.
I ricercatori, guidato da Sefaattin Tongay, Joonki Suh, e J. Wu, all'Università della California, Berkeley, l'Accademia Cinese delle Scienze di Pechino, e MIT, hanno pubblicato il loro articolo sugli effetti dei difetti puntiformi sui semiconduttori 2D in un recente numero di Nature's Rapporti scientifici .
"Tipicamente, i difetti nei materiali sono considerati qualcosa di non voluto, "Tongay ha detto Phys.org . "Anzi, la maggior parte delle funzionalità dei materiali sono abilitate da varie imperfezioni come difetti. In questo lavoro, mostriamo che l'ingegnerizzazione dei difetti nei materiali bidimensionali ci consente di creare un altro canale di emissione della luce e anche di migliorare l'emissione di luce.
"È probabile che questa sia una pietra miliare nel campo. Noi scienziati non sapevamo come osservare i difetti con metodi ottici, e qui abbiamo trovato le prime firme di difetti nei semiconduttori 2D. È eccitante. Apparentemente, i difetti sono un altro modo per mettere a punto/attivare le proprietà del materiale su richiesta."
Sebbene la fisica dei difetti puntuali nei semiconduttori 3D sia stata ampiamente studiata, si sa molto meno dei difetti puntuali nei semiconduttori 2D di più recente sviluppo. I sistemi elettronici a bassa dimensionalità sono altamente suscettibili di disordine e imperfezioni. Nei semiconduttori 2D, questa propensione dovrebbe influenzare fortemente i processi elettronici ed eccitonici. Uno di questi tipi di semiconduttori 2D di nuova generazione sono i dicalcogenuri di metalli di transizione monostrato (TMD). Poiché i TMD hanno band gap diretti, il che significa che gli elettroni possono emettere direttamente fotoni, stanno promettendo materiali che emettono luce.
Qui, gli scienziati hanno scoperto che rimuovendo gli atomi di calcogeno (zolfo) da un campione di 0,7 nm di TMD MoS 2 modifica notevolmente le sue proprietà ottiche. All'aumentare del numero di difetti nel materiale, la luminosità complessiva della luce emessa dal materiale aumenta. Questa luce ha un picco di fotoluminescenza a 1,90 eV, che ne determina la lunghezza d'onda e il colore. Ma i difetti hanno anche creato un nuovo picco di fotoluminescenza a 1,78 eV.
Gli scienziati hanno scoperto che questo picco di energia inferiore domina lo spettro della fotoluminescenza a basse temperature, e si indebolisce all'aumentare della temperatura fino a scomparire completamente sopra i 250 K (-23 °C). Però, a temperatura ambiente, la presenza di tali difetti aumenta l'emissione luminosa. Questa osservazione va contro la saggezza convenzionale nel nuovo campo dei semiconduttori 2D, che è stato che l'intensità dell'emissione ottica a temperatura ambiente è un criterio sufficiente per valutare la qualità dei cristalli dei semiconduttori 2D; i risultati qui suggeriscono che le valutazioni della qualità dei cristalli dovrebbero comportare misurazioni della fotoluminescenza a bassa temperatura.
Gli scienziati hanno anche dimostrato che i difetti di posti vacanti hanno effetti simili sulle proprietà ottiche di altri due TMD, MoSe 2 e WSe 2 . Questi risultati indicano che gli effetti dei difetti puntuali sono probabilmente universali in altri semiconduttori 2D, anche.
I ricercatori propongono che il meccanismo alla base di questi effetti dipenda dall'interazione dei siti del difetto con il gas azoto nell'aria. nel vuoto, i difetti non hanno avuto alcun effetto sulle proprietà ottiche dei TMD. Gli scienziati spiegano che N 2 le molecole nell'aria possono drenare elettroni liberi dal materiale nei siti di difetto, che si traduce in una maggiore proporzione di eccitoni liberi (elettroni legati a fori) nel materiale. Una parte degli eccitoni liberi viene quindi intrappolata e vincolata dai posti vacanti difettosi, formazione di eccitoni legati. Infine, sia gli eccitoni liberi che quelli legati si ricombinano radiativamente e producono due distinti picchi di emissione di luce a 1,90 eV (~650 nm) e 1,78 eV (~700 nm), rispettivamente.
Poiché i ricercatori possono creare questi difetti mediante irraggiamento o ricottura termica, la densità del difetto e le conseguenti modifiche nelle proprietà ottiche del materiale possono essere controllate tramite l'ingegneria dei difetti. Questa capacità potrebbe portare alla produzione di semiconduttori 2D con più bande proibite, dispositivi di emissione di luce multicolore, e sensori ottici di gas, tra le altre applicazioni.
"Con un design intelligente, semiconduttori 2D difettosi in punti potenzialmente mostrano migliori prestazioni dei materiali, che può essere realizzato scoprendo la fisica dei difetti nei sistemi 2D, " Suh ha detto. "Questo è l'obiettivo finale della nostra squadra!"
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