(Phys.org) —La spinta a sviluppare dispositivi elettronici ultrapiccoli e ultraveloci utilizzando un singolo strato atomico di semiconduttori, come i dicalcogenuri di metalli di transizione, ha ricevuto un notevole impulso. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno registrato le prime osservazioni di una forte risonanza ottica non lineare lungo i bordi di un singolo strato di bisolfuro di molibdeno. L'esistenza di questi stati limite è la chiave per l'uso del bisolfuro di molibdeno nella nanoelettronica, nonché un catalizzatore per la reazione di evoluzione dell'idrogeno nelle celle a combustibile, desolforazione e altre reazioni chimiche.

"Abbiamo osservato forti risonanze ottiche non lineari ai bordi di un cristallo bidimensionale di disolfuro di molibdeno", afferma Xiang Zhang, uno scienziato della facoltà con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab che ha condotto questo studio. "Questi stati dei bordi unidimensionali sono il risultato di cambiamenti della struttura elettronica e possono consentire nuovi dispositivi nanoelettronici e fotonici. Questi bordi sono stati a lungo sospettati anche di essere i siti attivi per la reazione di evoluzione elettrocatalitica dell'idrogeno nelle applicazioni energetiche. Abbiamo anche scoperto un secondo straordinario proprietà di generazione di luce armonica che possono essere utilizzate per il monitoraggio in situ dei cambiamenti elettronici e delle reazioni chimiche che si verificano ai bordi atomici unidimensionali".

Zhang, che detiene anche l'Ernest S. Kuh Endowed Chair Professor presso l'Università della California (UC) Berkeley e dirige il Nano-scale Science and Engineering Center della National Science Foundation, è l'autore corrispondente di un articolo in Scienza descrivere questa ricerca. Il documento è intitolato "Edge Nonlinear Optics on a MoS2 Atomic Monolayer". I coautori sono Xiaobo Yin, Ziliang Ye, Daniel Chenet, Sì Sì, Kevin O'Brien e James Hone.

I semiconduttori bidimensionali emergenti sono apprezzati nell'industria elettronica per la loro efficienza energetica superiore e la capacità di trasportare densità di corrente molto più elevate rispetto al silicio. Solo una singola molecola spessa, sono particolarmente adatti per dispositivi optoelettronici integrati. Fino a poco tempo fa, il grafene è stata la superstar incontrastata dei materiali 2D, ma oggi c'è una notevole attenzione focalizzata sui cristalli semiconduttori 2D che consistono in un singolo strato di atomi di metalli di transizione, come il molibdeno, tungsteno o niobio, racchiusa tra due strati di atomi di calcogeno, come zolfo o selenio. Caratterizzato dalla stessa struttura piatta esagonale "a nido d'ape" del grafene e molti degli stessi vantaggi elettrici, questi dicalcogenuri di metalli di transizione, a differenza del grafene, hanno bande di energia dirette. Ciò facilita la loro applicazione in transistor e altri dispositivi elettronici, particolarmente diodi emettitori di luce.

La piena realizzazione del vasto potenziale dei dicalcogenuri dei metalli di transizione arriverà solo con una migliore comprensione degli orientamenti dei domini delle loro strutture cristalline che danno origine alle loro eccezionali proprietà. Fino ad ora, però, l'imaging sperimentale di queste strutture spesse tre atomi e dei loro bordi è stato limitato alla microscopia a scansione tunnel e alla microscopia elettronica a trasmissione, tecnologie spesso di difficile utilizzo. L'ottica non lineare ai bordi e ai confini del cristallo ha permesso a Zhang e ai suoi collaboratori di sviluppare una nuova tecnica di imaging basata su emissioni di luce di seconda generazione armonica (SHG) che possono facilmente catturare le strutture cristalline e gli orientamenti dei grani con un microscopio ottico.

"La nostra tecnica di imaging ottico non lineare è un metodo non invasivo, veloce, facile approccio metrologico allo studio dei materiali atomici 2D, "dice Xiaobo Yin, l'autore principale di Scienza carta e un ex membro del gruppo di ricerca di Zhang che ora è alla facoltà dell'Università del Colorado, Masso. "Non abbiamo bisogno di preparare il campione su alcun substrato speciale o ambiente sottovuoto, e la misurazione non perturberà il campione durante il processo di imaging. Questo vantaggio consente misurazioni in situ in molte condizioni pratiche. Per di più, la nostra tecnica di imaging è una misurazione ultraveloce in grado di fornire informazioni dinamiche critiche, e la sua strumentazione è molto meno complicata e meno costosa rispetto alla microscopia a effetto tunnel e alla microscopia elettronica a trasmissione".

Per l'imaging SHG del bisolfuro di molibdeno, Zhang e i suoi collaboratori hanno illuminato membrane campione di soli tre atomi di spessore con impulsi ultraveloci di luce infrarossa. Le proprietà ottiche non lineari dei campioni hanno prodotto una forte risposta SHG sotto forma di luce visibile che è sia sintonizzabile che coerente. Le immagini generate da SHG risultanti hanno permesso ai ricercatori di rilevare "discontinuità strutturali" o bordi lungo i cristalli 2D larghi solo pochi atomi dove la simmetria traslazionale del cristallo era rotta.

"Analizzando le componenti polarizzate dei segnali SHG, siamo stati in grado di mappare l'orientamento dei cristalli della membrana atomica di solfuro di molibdeno, "dice Ziliang Ye, il co-autore principale dell'articolo e attuale membro del gruppo di ricerca di Zhang. "Questo ci ha permesso di catturare una mappa completa delle strutture dei grani cristallini, codificati a colori in base all'orientamento dei cristalli. Ora abbiamo un tempo reale, strumento non invasivo che ci permette di esplorare gli aspetti strutturali, ottico, e proprietà elettroniche di strati atomici 2D di dichalcogenuri di metalli di transizione su una vasta area."