Schema di un raggio laser che energizza un semiconduttore monostrato costituito da bisolfuro di molibdeno (MoS2). I punti luminosi rossi sono particelle eccitate dal laser. Attestazione:Der-Hsien Lien
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.
Un semiconduttore monostrato MoS2 a forma di logo Cal. L'immagine a sinistra mostra il materiale prima che fosse trattato con superacido. Sulla destra è il monostrato dopo il trattamento. I ricercatori sono stati in grado di ottenere un miglioramento di due ordini di grandezza nella luce emessa con il trattamento con superacido. Credito:immagine di Matin Amani
"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.
Ali Javey, Professore della UC Berkeley presso il College of Engineering, e i ricercatori nel suo laboratorio hanno trovato un modo per rimuovere i difetti dai semiconduttori monostrato atomicamente sottili. mostrato, da sinistra a destra, sono Javey, Matin Amani, Der-Hsien Lien e Daisuke Kiriya. Attestazione:Hiroki Ota
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.