Una classe emergente di materiali atomicamente sottili noti come semiconduttori monostrato ha generato un grande clamore nel mondo della scienza dei materiali. I monostrati promettono lo sviluppo di display a LED trasparenti, celle solari ad altissima efficienza, fotorivelatori e transistor su nanoscala. Il loro lato negativo? I film sono notoriamente pieni di difetti, uccidendo le loro prestazioni.

Ma ora un gruppo di ricerca, guidato da ingegneri dell'Università della California, Berkeley, e Lawrence Berkeley National Laboratory, ha trovato un modo semplice per correggere questi difetti attraverso l'uso di un superacido organico. Il trattamento chimico ha portato a un drammatico aumento di 100 volte nella resa quantica della fotoluminescenza del materiale, un rapporto che descrive la quantità di luce generata dal materiale rispetto alla quantità di energia immessa. Maggiore è l'emissione di luce, maggiore è la resa quantica e migliore è la qualità del materiale.

I ricercatori hanno migliorato la resa quantica del bisolfuro di molibdeno, o MoS2, da meno dell'1% fino al 100% immergendo il materiale in un superacido chiamato bistriflimide, o TFSI.

Le loro scoperte, da pubblicare nel numero del 27 novembre di Scienza , apre le porte all'applicazione pratica dei materiali monostrato, come MoS2, in dispositivi optoelettronici e transistor ad alte prestazioni. MoS2 è spesso solo sette decimi di nanometro. Per confronto, un filamento di DNA umano ha un diametro di 2,5 nanometri.

"Tradizionalmente, più sottile è il materiale, più è sensibile ai difetti, " ha detto il principale investigatore Ali Javey, Professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC Berkeley e scienziato della facoltà al Berkeley Lab. "Questo studio presenta la prima dimostrazione di un monostrato optoelettronicamente perfetto, che in precedenza era stato inaudito in un materiale così sottile."

I ricercatori hanno preso in considerazione i superacidi perché, per definizione, sono soluzioni con una propensione a "dare" protoni, spesso sotto forma di atomi di idrogeno, ad altre sostanze. Questa reazione chimica, chiamato protonazione, ha l'effetto di riempire gli atomi mancanti nel sito dei difetti e di rimuovere i contaminanti indesiderati bloccati sulla superficie, hanno detto i ricercatori.

I co-autori principali del documento sono UC Berkeley Ph.D. studente Matin Amani, visitando il dottorato di ricerca studente Der-Hsien Lien e borsista post-dottorato Daisuke Kiriya.

Hanno notato che gli scienziati hanno perseguito semiconduttori monostrato a causa del loro basso assorbimento di luce e della loro capacità di resistere alle torsioni, curve e altre forme estreme di deformazione meccanica, che possono consentire il loro utilizzo in dispositivi trasparenti o flessibili.

MoS2, nello specifico, è caratterizzato da strati molecolari tenuti insieme dalle forze di van der Waals, un tipo di legame atomico tra ogni strato che è atomicamente nitido. Un ulteriore vantaggio di avere un materiale così sottile è che è altamente sintonizzabile elettricamente. Per applicazioni come display a LED, questa caratteristica può consentire di realizzare dispositivi in ​​cui un singolo pixel potrebbe emettere un'ampia gamma di colori anziché uno solo variando la quantità di tensione applicata.

Gli autori principali hanno aggiunto che l'efficienza di un LED è direttamente correlata alla resa quantica della fotoluminescenza, quindi, in linea di principio, si potrebbero sviluppare display a LED ad alte prestazioni che sono trasparenti quando spenti e flessibili utilizzando i monostrati optoelettronici "perfetti" prodotti in questo studio.

Questo trattamento ha anche un potenziale rivoluzionario per i transistor. Man mano che i dispositivi nei chip dei computer diventano sempre più piccoli, i difetti giocano un ruolo più importante nel limitare le loro prestazioni.

"I monostrati privi di difetti sviluppati qui potrebbero risolvere questo problema oltre a consentire nuovi tipi di interruttori a bassa energia, " ha detto Giava.