Questo modello di diffrazione di elettroni a nano-fascio del disolfuro di renio con un'immagine di inserto zoom rivela un modello di riflessione quasi esagonale. Credito:Junqiao Wu, Berkeley Lab
(Phys.org) —Da super-lubrificanti, alle celle solari, alla nascente tecnologia di valleytronics, c'è molto di cui essere entusiasti con la scoperta di un nuovo semiconduttore bidimensionale unico, disolfuro di renio, dai ricercatori della Molecular Foundry di Berkeley Lab. Disolfuro di renio, a differenza del bisolfuro di molibdeno e di altri dicalcogenuri, si comporta elettronicamente come se fosse un monostrato 2D anche come materiale sfuso 3D. Questo non solo apre la porta alle applicazioni elettroniche 2D con un materiale 3D, rende inoltre possibile studiare la fisica 2D con cristalli 3D facili da realizzare.
"Il disolfuro di renio rimane un semiconduttore a banda proibita diretta, la sua intensità di fotoluminescenza aumenta mentre il suo spettro Raman rimane invariato, anche con l'aggiunta di un numero crescente di strati, "dice Junqiao Wu, un fisico della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab che ha guidato questa scoperta. "Questo rende i cristalli sfusi di disolfuro di renio una piattaforma ideale per sondare la fisica eccitonica e reticolare 2D, aggirare la sfida di preparare una vasta area, monostrati monocristallini."
Wu, che è anche professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università della California-Berkeley, a capo di un nutrito team internazionale di collaboratori che utilizzavano le strutture della Fonderia Molecolare, un centro nazionale di nanoscienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), per preparare e caratterizzare singoli monostrati di disolfuro di renio. Attraverso una varietà di tecniche di spettroscopia, hanno studiato questi monostrati sia come multistrati impilati che come materiali sfusi. Il loro studio ha rivelato che l'unicità del disolfuro di renio deriva da un'interruzione nella sua simmetria del reticolo cristallino chiamata distorsione di Peierls.
"I dicalcogenuri di metalli di transizione semiconduttori sono costituiti da monostrati tenuti insieme da forze deboli, "dice Sefaattin Tongay, autore principale di un articolo che descrive questa ricerca in Comunicazioni sulla natura per il quale Wu era l'autore corrispondente. Il documento era intitolato "Comportamento monostrato in bulk ReS2 dovuto al disaccoppiamento elettronico e vibrazionale".
La struttura atomica di un monostrato di disolfuro di renio mostra la dimerizzazione degli atomi di renio come risultato del Peierls, formando una catena di renio indicata dalla linea rossa a zigzag. Credito:Junqiao Wu, Berkeley Lab
"Tipicamente i monostrati in un metallo di transizione semiconduttore dicalcogenuri, come il bisolfuro di molibdeno, sono relativamente fortemente accoppiati, ma i monostrati isolati mostrano grandi cambiamenti nella struttura elettronica e nelle energie di vibrazione del reticolo, " Dice Tongay. "Il risultato è che alla rinfusa questi materiali sono semiconduttori a gap indiretto e nel monostrato sono gap diretti".
Che Tongay, Wu e i loro collaboratori hanno scoperto nei loro studi di caratterizzazione che il disolfuro di renio contiene sette elettroni di valenza rispetto ai sei elettroni di valenza del disolfuro di molibdeno e di altri dichalcogenuri di metalli di transizione. Questo elettrone di valenza extra impedisce un forte accoppiamento interstrato tra più monostrati di disolfuro di renio.
"L'elettrone in più viene infine condiviso tra due atomi di renio, che fa avvicinare gli atomi l'uno all'altro, formando catene quasi unidimensionali all'interno di ogni strato e creando la distorsione di Peierls nel reticolo, " Dice Tongay. "Una volta che la distorsione di Peierls ha luogo, registro intercalare è in gran parte perso, con conseguente debole accoppiamento interstrato e comportamento monostrato nella massa."
Il debole accoppiamento interstrato del disolfuro di renio dovrebbe rendere questo materiale estremamente utile nella tribologia e in altre applicazioni a basso attrito. Poiché il disolfuro di renio presenta anche forti interazioni tra luce e materia tipiche dei semiconduttori monostrato, e poiché il disolfuro di renio sfuso si comporta come se fosse un monostrato, il nuovo materiale dovrebbe essere prezioso anche per le applicazioni delle celle solari. Potrebbe anche essere un'alternativa meno costosa al diamante per la Valleytronics.
In Valleytronics, il numero quantico d'onda dell'elettrone in un materiale cristallino viene utilizzato per codificare le informazioni. Questo numero è derivato dallo spin e dalla quantità di moto di un elettrone che si muove attraverso un reticolo cristallino come un'onda con picchi e valli di energia. La codifica delle informazioni quando gli elettroni risiedono in queste valli di energia minima offre un potenziale nuovo percorso altamente promettente per l'informatica quantistica e l'elaborazione dei dati ultraveloce.
"Gli atomi di renio hanno un peso atomico relativamente grande, il che significa che le interazioni elettrone spin-orbita sono significative, " Dice Tongay. "Questo potrebbe rendere il disolfuro di renio un materiale ideale per le applicazioni Valleytronics".
La collaborazione sta ora cercando modi per mettere a punto le proprietà del disolfuro di renio nei cristalli sia monostrato che bulk attraverso difetti ingegnerizzati nel reticolo e drogaggio selettivo. Stanno anche cercando di legare il disolfuro di renio con altri membri della famiglia dei dicalcogenidi.
