Lo studio sul bisolfuro di molibdeno 2-D (MoS 2 ) i difetti impiegavano misurazioni del rumore a bassa frequenza e microscopia conduttiva a forza atomica (C-AFM). L'immagine ingrandita mostra una punta a sbalzo AFM che punta a un'area con una monovacanza di zolfo (area ombreggiata in rosso). Quando la corrente scorre attraverso la punta AFM e il campione, vengono misurati gli eventi di commutazione tra diversi stati di ionizzazione (neutro e carico -1). Con un raggio di circa 25 nanometri, la punta dell'AFM copre un'area che contiene circa 1-8 monovacanze di zolfo. Credito:IBS, pubblicato su Comunicazioni sulla natura
I ricercatori del Center for Integrated Nanostructure Physics hanno dimostrato che i difetti nel disolfuro di molibdeno monostrato (MoS 2 ) mostrano commutazione elettrica, fornendo nuove informazioni sulle proprietà elettriche di questo materiale. come MoS 2 è uno dei semiconduttori 2-D più promettenti, si prevede che questi risultati contribuiranno al suo uso futuro nell'optoelettronica.
I difetti possono causare importanti cambiamenti nelle proprietà di un materiale, portando a effetti desiderabili o indesiderati. Per esempio, l'industria petrolchimica ha da tempo sfruttato l'attività catalitica del MoS 2 bordi, caratterizzato dalla presenza di un'elevata concentrazione di difetti, per produrre prodotti petroliferi con ridotta anidride solforosa (SO 2 ) emissioni. D'altra parte, avere un materiale incontaminato è un must nell'elettronica. Attualmente, il silicio governa l'industria, perché può essere preparato in modo praticamente privo di difetti. Nel caso di MoS 2 , la sua idoneità per le applicazioni elettroniche è attualmente limitata dalla presenza di difetti naturali. Finora, il legame preciso tra questi difetti e le proprietà degradate del MoS 2 è stata una domanda aperta.
Nell'IBS, un team di fisici, scienziati dei materiali, e gli ingegneri elettrici hanno lavorato a stretto contatto per esplorare le proprietà elettroniche dei posti vacanti di zolfo in MoS 2 monostrati, utilizzando una combinazione di microscopia a forza atomica (AFM) e analisi del rumore. Gli scienziati hanno utilizzato una punta AFM metallica per misurare il segnale di rumore, cioè., la variazione della corrente elettrica che passa attraverso un singolo strato di MoS 2 posto su un supporto metallico.
I difetti più comuni in MoS 2 sono casi di singoli atomi di zolfo mancanti, noto anche come monovacanze di zolfo. In un campione perfetto, ogni atomo di zolfo ha due elettroni di valenza che si legano a due elettroni di molibdeno. Però, dove manca un atomo di zolfo, questi due elettroni di molibdeno rimangono insaturi, definendo lo stato neutro (stato 0) del difetto. Però, il team ha osservato eventi di commutazione rapida nelle misurazioni del rumore, che indica lo stato del posto vacante commutato tra neutro (stato 0) e carico (stato -1).
Il grafico in alto illustra i processi di commutazione tra il livello neutro (stato 0) e il livello carico (stato -1) che si verificano quando un elettrone (cerchio rosso) della corrente che scorre viene intrappolato (in alto a sinistra) o rilasciato (in alto a destra) a il difetto di posto vacante di zolfo (contrassegnato da un cerchio verde). Il grafico in basso mostra gli eventi di commutazione nella corrente che si verificano quando gli elettroni della corrente passano attraverso il MoS 2 campione sono intrappolati nel posto vacante, o liberato dal posto vacante. Credito:IBS
"Il passaggio tra 0 e -1 avviene continuamente. Mentre un elettrone risiede nel posto vacante per un po', manca alla corrente, tale da osservare un calo di corrente, " spiega Michael Neumann, uno dei co-primi autori dello studio. "Questo va molto verso la comprensione delle anomalie note di MoS 2 , ed è molto interessante che le vacanze di zolfo da sole siano sufficienti a spiegare queste anomalie, senza richiedere difetti più complessi." Secondo gli esperimenti e i calcoli precedenti, due elettroni possono anche essere intrappolati nella vacanza (stato -2), ma questo non sembra essere energicamente favorito.
La nuova osservazione che le vacanze di zolfo possono essere caricate (stati -1 e -2) fa luce su diversi MoS 2 anomalie, compresa la sua ridotta mobilità degli elettroni osservata nei campioni monostrato di MoS2:gli elettroni si muovono seguendo la direzione di una tensione applicata, ma disperso da difetti addebitati. "Lo stato -1 è occupato circa il 50% del tempo, che porterebbe alla dispersione degli elettroni, e quindi spiegare perché MoS 2 ha una mobilità così scarsa, " chiarisce Neumann. Altri MoS 2 caratteristiche che possono essere spiegate da questo studio sono il drogaggio di tipo n di MoS 2 , e la resistenza inaspettatamente grande al MoS 2 -giunzione metallica.
"Questa ricerca apre la possibilità di sviluppare un nuovo dispositivo di nanospettroscopia del rumore in grado di mappare uno o più difetti su scala nanometrica su un'ampia area di un materiale 2-D, " conclude l'autore corrispondente Young Hee Lee.
Lo studio completo è disponibile su Comunicazioni sulla natura .
