(Phys.org) — È stato appena aggiunto un nuovo argomento alla crescente tesi secondo cui il grafene è stato eliminato dal suo piedistallo come la prossima grande novità nel mondo dell'alta tecnologia dai semiconduttori bidimensionali noti come materiali MX2. Una collaborazione internazionale di ricercatori guidati da uno scienziato con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha riportato la prima osservazione sperimentale del trasferimento di carica ultraveloce in materiali MX2 fotoeccitati. Il tempo di trasferimento della carica registrato è stato inferiore a 50 femtosecondi, paragonabili ai tempi più veloci registrati per il fotovoltaico organico.

"Abbiamo dimostrato, per la prima volta, trasferimento di carica efficiente in eterostrutture MX2 attraverso la mappatura combinata della fotoluminescenza e misurazioni di assorbimento transitorio, "dice Feng Wang, un fisico della materia condensata con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di fisica dell'Università della California (UC). "Avendo determinato quantitativamente il tempo di trasferimento della carica inferiore a 50 femtosecondi, il nostro studio suggerisce che le eterostrutture MX2, con le loro notevoli proprietà elettriche e ottiche e il rapido sviluppo della sintesi di grandi aree, rappresentano una grande promessa per le future applicazioni fotoniche e optoelettroniche."

Wang è l'autore corrispondente di un articolo in Nanotecnologia della natura descrivere questa ricerca. Il documento è intitolato "Trasferimento di carica ultraveloce in eterostrutture MoS2/WS2 atomicamente sottili". I coautori sono Xiaoping Hong, Jonghwan Kim, Su Fei Shi, Yu Zhang, Chenhao Jin, Yinghui Sole, Sefaattin Tongay, Junqiao Wu e Yanfeng Zhang.

I monostrati MX2 sono costituiti da un singolo strato di atomi di metalli di transizione, come molibdeno (Mo) o tungsteno (W), racchiusa tra due strati di atomi di calcogeno, come lo zolfo (S). L'eterostruttura risultante è vincolata dall'attrazione intermolecolare relativamente debole nota come forza di van der Waals. Questi semiconduttori 2D presentano la stessa struttura esagonale "a nido d'ape" del grafene e conduttanza elettrica superveloce, ma, a differenza del grafene, hanno band-gap energetici naturali. Ciò facilita la loro applicazione in transistor e altri dispositivi elettronici perché, a differenza del grafene, la loro conduttanza elettrica può essere disattivata.

"La combinazione di diversi strati MX2 consente di controllare le loro proprietà fisiche, "dice Wang, che è anche ricercatore presso il Kavli Energy NanoSciences Institute (Kavli-ENSI). "Per esempio, la combinazione di MoS2 e WS2 forma un semiconduttore di tipo II che consente una rapida separazione della carica. La separazione di elettroni e lacune fotoeccitati è essenziale per guidare una corrente elettrica in un fotorivelatore o in una cella solare".

Nel dimostrare le capacità di separazione della carica ultraveloce di campioni atomicamente sottili di eterostrutture MoS2/WS2, Wang e i suoi collaboratori hanno aperto nuove strade potenzialmente ricche, non solo per la fotonica e l'optoelettronica, ma anche per il fotovoltaico.

"I semiconduttori MX2 hanno proprietà di assorbimento ottico estremamente elevate e rispetto ai materiali fotovoltaici organici, hanno una struttura cristallina e migliori proprietà di trasporto elettrico, " Wang afferma. "Il fattore in una velocità di trasferimento di carica a femtosecondi e i semiconduttori MX2 forniscono un modo ideale per separare spazialmente elettroni e lacune per la raccolta e l'utilizzo elettrico".

Wang e i suoi colleghi stanno studiando le origini microscopiche del trasferimento di carica nelle eterostrutture MX2 e la variazione delle velocità di trasferimento di carica tra diversi materiali MX2.

"Siamo anche interessati a controllare il processo di trasferimento di carica con campi elettrici esterni come mezzo per utilizzare le eterostrutture MX2 nei dispositivi fotovoltaici, " dice Wang.