Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti hanno utilizzato un'esclusiva sonda nano-ottica per studiare gli effetti dell'illuminazione sui semiconduttori bidimensionali a livello molecolare. Lavorando alla Fonderia Molecolare, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, il team scientifico ha utilizzato la sonda "Campanile" sviluppata per fare alcune scoperte sorprendenti sul disolfuro di molibdeno, un membro di una famiglia di semiconduttori, chiamati "dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDC), le cui proprietà optoelettroniche sono molto promettenti per i futuri dispositivi nanoelettronici e fotonici.

"La notevole risoluzione della sonda Campanile ci ha permesso di identificare una significativa eterogeneità optoelettronica su nanoscala nelle regioni interne dei cristalli monostrato di bisolfuro di molibdeno, e un imprevisto, di circa 300 nanometri di larghezza, regione marginale energeticamente disordinata, "dice James Schuck, uno scienziato del personale con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. Schuck ha condotto questo studio così come il team che ha creato la sonda Campanile, che ha vinto un prestigioso R&D 100 Award nel 2013 per aver combinato i vantaggi della microscopia a scansione/sonda e della spettroscopia ottica.

"Questa regione di confine disordinata, che non si è mai visto prima, potrebbe essere estremamente importante per tutti i dispositivi in ​​cui si vogliono fare contatti elettrici, "Dice Schuck. "Potrebbe anche rivelarsi fondamentale per le applicazioni di conversione ottica fotocatalitica e non lineare".

Schuck, che dirige l'Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility presso la Molecular Foundry, è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca in Comunicazioni sulla natura . Il documento è intitolato "Visualizzazione delle proprietà di rilassamento eccitonico su scala nanometrica di bordi disordinati e bordi di grano in disolfuro di molibdeno monostrato". Gli autori principali sono Wei Bao e Nicholas Borys. (Vedi sotto per un elenco completo degli autori.)

I 2D-TMDC rivaleggiano con il grafene come potenziali successori del silicio per la prossima generazione di elettronica ad alta velocità. Solo una singola molecola di spessore, I materiali 2D-TMDC vantano un'efficienza energetica superiore e una capacità di trasportare densità di corrente molto più elevate rispetto al silicio. Però, dalla loro "scoperta" sperimentale nel 2010, le prestazioni dei materiali 2D-TMDC sono rimaste molto indietro rispetto alle aspettative teoriche principalmente a causa della mancanza di comprensione delle proprietà 2D-TMDC su scala nanometrica, in particolare le loro proprietà eccitoniche. Gli eccitoni sono coppie legate di elettroni e lacune eccitati che consentono ai semiconduttori di funzionare nei dispositivi.

"La scarsa comprensione dell'eccitonico 2D-TMDC e di altre proprietà su scala nanometrica è radicata in gran parte nei vincoli esistenti sull'imaging nanospettroscopico, " dice Schuck. "Con la nostra sonda Campanile, superiamo quasi tutte le precedenti limitazioni della microscopia in campo vicino e siamo in grado di mappare proprietà e processi chimici e ottici critici alle loro scale di lunghezza native".

La sonda Campanile, che prende il nome dalla famosa torre dell'orologio "Campanile" nel campus dell'Università della California a Berkeley, presenta un affusolato, punta microscopica a quattro lati che è montata sull'estremità di una fibra ottica. Due dei lati del Campanile sono rivestiti d'oro ei due strati d'oro sono separati sulla punta di pochi nanometri. Il design affusolato consente alla sonda Campanile di incanalare la luce di tutte le lunghezze d'onda in un campo potenziato all'apice della punta. La dimensione dello spazio tra gli strati d'oro determina la risoluzione, che può essere al di sotto del limite ottico di diffrazione.

Nel loro nuovo studio, Schuck, Bao, Borys e i loro coautori hanno utilizzato la sonda Campanile per mappare spettroscopicamente i processi di stato eccitato/rilassamento su nanoscala in cristalli monostrato di bisolfuro di molibdeno che sono stati cresciuti mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD). Il bisolfuro di molibdeno è un semiconduttore 2D che presenta un'elevata conduttanza elettrica paragonabile a quella del grafene, ma, a differenza del grafene, ha bande di energia naturali, il che significa che la sua conduttanza può essere disattivata.

"Il nostro studio ha rivelato una significativa eterogeneità optoelettronica su nanoscala e ci ha permesso di quantificare i fenomeni di spegnimento degli eccitoni ai bordi dei grani di cristallo, "Schuck ha detto. "La scoperta della regione del bordo disordinato costituisce un cambiamento di paradigma dall'idea che solo uno stato di bordo metallico 1D è responsabile di tutta la fisica e la fotochimica relative ai bordi osservate nei TMDC 2D. Quello che sta accadendo ai bordi dei cristalli 2D-TMDC è chiaramente più complicato di così. C'è una regione disordinata mesoscopica che probabilmente domina la maggior parte dei trasporti, ottica non lineare, e il comportamento fotocatalitico vicino ai bordi dei 2D-TMDC cresciuti in CVD".

In questo studio, Schuck e i suoi colleghi hanno anche scoperto che la regione del bordo disordinato nei cristalli di disolfuro di molibdeno ospita una carenza di zolfo che ha implicazioni per le future applicazioni optoelettroniche di questo 2D-TMDC.

"Meno zolfo significa che sono presenti più elettroni liberi in quella regione marginale, che potrebbe portare a una maggiore ricombinazione non radiativa, "Schuck dice. "La ricombinazione non radiativa avanzata significa che gli eccitoni creati vicino a una vacanza di zolfo vivrebbero per un periodo di tempo molto più breve".

Schuck e i suoi colleghi hanno in programma di studiare le proprietà eccitoniche ed elettroniche che potrebbero sorgere, così come la creazione di giunzioni p-n e pozzi quantistici, quando sono collegati due diversi tipi di TMDC

"Stiamo anche combinando materiali 2D-TMDC con le cosiddette metasuperfici per controllare e manipolare gli stati di valle e gli emettitori circolari che esistono all'interno di questi sistemi, oltre a esplorare stati quantistici localizzati che potrebbero agire come emettitori di fotoni singoli quasi ideali e stati Qubit con entanglement quantistico, " dice Schuck.