Immagini ottiche di due tipi di campioni monostrato di MoTe2:(a) fiocchi di MoTe2 che inizialmente erano altamente luminescenti mantengono la loro luminosità durante il periodo di osservazione di 8 giorni; (b) i fiocchi di MoTe2 che erano debolmente luminescenti all'inizio svaniscono in pochi giorni, e parti di essi sembrano scomparire del tutto. Credito:Bin Chen, et al. ©2015 American Chemical Society
(Phys.org)—Quando esposto all'aria, un materiale 2D luminescente chiamato tellururo di molibdeno (MoTe 2 ) sembra decomporsi entro un paio di giorni, perdendo il suo contrasto ottico e diventando virtualmente trasparente. Ma quando gli scienziati hanno indagato ulteriormente, hanno scoperto che la scomparsa è un'illusione:il materiale rimane strutturalmente stabile, e solo le sue proprietà materiali cambiano. I risultati rivelano informazioni sulla stabilità ambientale e sulle proprietà insolite di una nuova classe di materiali 2D chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD).
I ricercatori, guidato da Sefaattin Tongay, Professore assistente presso l'Arizona State University, hanno pubblicato un articolo sul cambiamento della luminescenza in un recente numero di ACS Nano .
"Attualmente, molti ricercatori in tutto il mondo stanno dimostrando applicazioni proof-of-concept molto impressionanti e promettenti utilizzando sistemi di materiali 2D, ma non conosciamo ancora la loro stabilità materiale per lunghi periodi di tempo, "Tongay ha detto Phys.org . "Questa ricerca presenta il caso unico di MoTe 2 , l'unico TMD a infrarossi, dove i monostrati scompaiono visivamente ma sono fisicamente ancora lì."
Come altri TMD, MoTe 2 si distingue per le sue interessanti proprietà ottiche. In forma sfusa, I TMD non sono luminescenti, ma quando i fiocchi spessi uno strato di un atomo vengono esfoliati dalla massa, i fiocchi 2D diventano semiconduttori ed emettono luce piuttosto forte. Per questa ragione, I TMD semiconduttori 2D potrebbero avere applicazioni nell'optoelettronica e nelle tecnologie di conversione dell'energia solare. Essendo l'unico TMD ad avere una banda proibita nell'infrarosso, MoTe 2 è particolarmente adatto per rivelatori a infrarossi e transistor ad effetto di campo tunnel.
Poiché i materiali 2D hanno un ampio rapporto superficie-volume, le loro proprietà possono essere influenzate dalle interazioni tra la loro superficie e l'ambiente. Notando che i composti del tellurio sono particolarmente sensibili all'ossigeno, i ricercatori qui volevano indagare su cosa succede quando MoTe . monostrato 2 è esposto all'ossigeno per diversi giorni.
I ricercatori hanno iniziato osservando il materiale al microscopio ottico con una lente a infrarossi. Hanno scoperto che MoTe 2 i fiocchi che inizialmente erano altamente luminescenti hanno mantenuto la loro luminosità durante il periodo di osservazione di 8 giorni. D'altra parte, i fiocchi debolmente luminescenti sembravano inaspettatamente sbiadire entro 1-3 giorni, e parti di essi scomparvero del tutto.
Però, quando si osservano i fiocchi "svaniti" usando un microscopio a forza atomica (AFM), che scansiona i campioni meccanicamente anziché otticamente, i ricercatori hanno visto i fiocchi "riapparire". I fiocchi non erano mai scomparsi in primo luogo, ma le loro proprietà ottiche erano cambiate mentre la loro struttura chimica veniva mantenuta.
I ricercatori propongono che il motivo per cui i fiocchi debolmente luminescenti sembrano scomparire è che hanno un gran numero di difetti, in particolare posti vacanti a causa di atomi mancanti. Questi posti vacanti sono il motivo per cui i fiocchi hanno una bassa luminescenza iniziale, e spiegare anche perché perdono la loro luminescenza quando esposti all'ossigeno. Molecole di ossigeno (O 2 ) dall'aria si incastrano in questi difetti e si legano a Mo e Te, formando "stati profondi" che fondamentalmente intrappolano elettroni e lacune, impedendo efficacemente la luminescenza. D'altra parte, i fiocchi che sono altamente luminescenti per cominciare hanno un piccolo numero di difetti, quindi non assorbono quasi altrettante molecole di ossigeno, non subire perdite di luminescenza, e le loro proprietà ottiche rimangono vicine alle loro proprietà in condizioni di vuoto.
"Questo lavoro mostra che una piccola quantità di difetti in MoTe 2 possono avere un grande impatto sulle proprietà dei materiali, come ottica, elettrico, e vibrazionale, e questi cambiamenti avvengono gradualmente nel tempo in modo simile all'invecchiamento del vino:a seconda della concentrazione del difetto, MoTe 2 i monostrati possono rovinarsi nel tempo (o potrebbero migliorare), "Ha spiegato Tongay.
I risultati qui mostrano che i difetti giocano un ruolo significativo nelle proprietà ottiche e nella stabilità di MoTe 2 , e potrebbe anche rivelare informazioni sulla stabilità ambientale di altri materiali 2D, come il silicio (silicio 2D), fosforene (fosforo 2D), e altri TMD. Potrebbe anche portare a modi per controllare le proprietà di questi materiali.
(Da sinistra a destra) Postdoc Aslihan Suslu, Il dottorando Bin Chen, e l'assistente professore Sefaattin Tongay hanno studiato la stabilità del materiale e le proprietà ottiche dei dichalcogenuri di metalli di transizione 2D (TMD), che hanno potenziali applicazioni nell'optoelettronica e in altri settori. Credito:Sefaattin Tongay
"Questa è una scoperta importante in quanto implica praticamente che siamo in grado di mettere a punto le proprietà ottiche di 2D MoTe 2 manipolando la densità dei difetti nel materiale e impedendo al materiale di perdere i suoi attributi intrinseci migliorando la qualità del cristallo, "ha detto Bin Chen, Studente di dottorato presso l'Arizona State University e autore principale dell'articolo.
Nel futuro, i ricercatori intendono esplorare e stabilire la stabilità di altri sistemi di materiali 2D, oltre a potenziare le loro proprietà mediante funzionalizzazione molecolare attraverso punti difetto esistenti o creati intenzionalmente.
"Nonostante i risultati incoraggianti e le applicazioni impressionanti, i nostri risultati indicano instabilità ambientale per un periodo di un mese, " Ha detto Chen. "Speriamo di capirlo e di superare idealmente queste sfide utilizzando le nostre conoscenze e competenze nella scienza e nell'ingegneria dei materiali".
© 2015 Phys.org
