La proprietà distintiva di un semiconduttore è il suo cosiddetto bandgap:la barriera che impedisce agli elettroni all'interno di uno specifico intervallo di energia di fluire attraverso un materiale. Il professore di scienza e ingegneria dei materiali della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) dell'Arabia Saudita Lance Li e il suo team hanno collaborato con colleghi di Taiwan e hanno utilizzato un modello semplice per determinare l'allineamento della banda in una nuova entusiasmante classe di semiconduttori chiamata transizione bidimensionale -dicalcogenuri metallici (TMD).

Il semplice concetto di bandgap consente a un singolo materiale semiconduttore, come il silicio, compiere le operazioni richieste da dispositivi elettronici; però, quando due o più semiconduttori sono combinati, il dispositivo offre una gamma più ampia di funzionalità e vanta prestazioni ed efficienza migliorate. Per capire come si comportano tali eterostrutture, è fondamentale sapere come si allineano le bande proibite dei due materiali.

Sebbene il grafene e i TMD siano tutti atomicamente sottili, la mancanza di un bandgap nel grafene limita la sua applicazione all'elettronica mentre la presenza di un bandgap nei TMD consente loro di essere impilati in eterostrutture. È, però, difficile determinare sperimentalmente l'allineamento di banda tra questi strati perché i risultati dipendono dalla qualità dei fragili TMD. Li e il suo team hanno ora dimostrato che il concetto noto come modello di Anderson, un semplice, modo computazionalmente economico per determinare l'allineamento della banda, è applicabile a questo sistema.

Il modello di Anderson assume che quando due semiconduttori sono posti insieme, condividono uno zero comune nella loro struttura a bande di energia noto come livello di vuoto. L'allineamento del bandgap può quindi essere determinato direttamente dai valori calcolati di bandgap e offset. Fino ad ora, non era chiaro se questa ipotesi sarebbe stata vera nei TMD dello strato atomico.

Li e il suo team hanno affrontato questo problema misurando l'energia del bandgap in tre TMD, bisolfuro di molibdeno, disolfuro di tungsteno e diseleniuro di tungsteno, utilizzando un metodo chiamato spettroscopia fotoelettronica ultravioletta. Hanno quindi applicato il modello di Anderson per prevedere l'allineamento della banda. Hanno confrontato questi valori calcolati con misurazioni sperimentali dirette dalla spettroscopia fotoelettronica a raggi X di eterostrutture di bisolfuro di molibdeno-disolfuro di tungsteno e disolfuro di molibdeno-diseleniuro di tungsteno.

L'accordo tra i valori ottenuti dai due metodi ha indicato che il modello di Anderson è valido. Il team suggerisce che ciò sia dovuto alle superfici uniche di van der Waals, che garantiscono l'assenza di legami atomici penzolanti che altrimenti impedirebbero l'allineamento dei livelli di vuoto nei due materiali.

"Il nostro prossimo passo è costruire eterogiunzioni basate sulla conoscenza acquisita dalla teoria, " dice Li. "Ricercheremo diverse eterostrutture per varie applicazioni, come celle solari e diodi emettitori di luce."