Una nuova comprensione del motivo per cui i materiali sintetici 2-D spesso hanno ordini di grandezza peggiori del previsto è stata raggiunta da team di ricercatori guidati da Penn State. Hanno cercato modi per migliorare le prestazioni di questi materiali nell'elettronica futura, fotonica, e applicazioni di archiviazione di memoria.

I materiali bidimensionali sono pellicole spesse solo un atomo o due. I ricercatori realizzano materiali 2-D con il metodo di esfoliazione, ovvero staccando una fetta di materiale da un materiale sfuso più grande, o condensando un precursore di gas su un substrato. Il primo metodo fornisce materiali di qualità superiore, ma non è utile per creare dispositivi. Il secondo metodo è ben consolidato nelle applicazioni industriali, ma produce film 2-D a basse prestazioni.

I ricercatori hanno dimostrato, per la prima volta, perché la qualità dei materiali 2-D cresciuti con il metodo della deposizione chimica in fase vapore ha prestazioni scadenti rispetto alle loro previsioni teoriche. Riportano i loro risultati in un recente numero di Rapporti scientifici .

"Abbiamo coltivato bisolfuro di molibdeno, un materiale 2-D molto promettente, su un substrato di zaffiro, "ha detto Kehao Zhang, un dottorando di Joshua Robinson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, Penn State. "Lo stesso zaffiro è ossido di alluminio. Quando l'alluminio è lo strato superiore del substrato, gli piace cedere i suoi elettroni al film. Questo pesante drogaggio negativo - gli elettroni hanno carica negativa - limita sia l'intensità che la durata del vettore per la fotoluminescenza, due proprietà importanti per tutte le applicazioni optoelettroniche, come il fotovoltaico e i fotosensori."

Una volta determinato che l'alluminio stava cedendo elettroni al film, hanno usato un substrato di zaffiro che è stato tagliato in modo tale da esporre l'ossigeno piuttosto che l'alluminio sulla superficie. Ciò ha migliorato l'intensità della fotoluminescenza e la durata del vettore di 100 volte.

Nei lavori correlati, un secondo team di ricercatori guidato dallo stesso gruppo di Penn State ha utilizzato l'ingegneria del doping che sostituisce gli atomi estranei nel reticolo cristallino del film per modificare o migliorare le proprietà del materiale. Hanno segnalato il loro lavoro questa settimana in Materiali funzionali avanzati .

"Le persone hanno già provato il doping sostitutivo, ma poiché l'interazione del substrato di zaffiro ha schermato gli effetti del drogaggio, non potevano deconcentrare l'impatto del doping, "disse Zhang, che era anche l'autore principale del secondo articolo.

Utilizzando la superficie del substrato terminata con ossigeno dalla prima carta, il team ha rimosso l'effetto di schermatura dal substrato e ha drogato il film 2-D di bisolfuro di molibdeno con atomi di renio.

"Abbiamo deconvoluto gli effetti del doping di renio sul materiale, " ha detto Zhang. "Con questo substrato possiamo arrivare fino all'1 percento atomico, la più alta concentrazione di doping mai registrata. Un vantaggio inaspettato è che il drogaggio del renio nel reticolo passiva il 25% delle vacanze di zolfo, e i posti vacanti di zolfo sono un problema di vecchia data con i materiali 2-D".

Il drogaggio risolve due problemi:rende il materiale più conduttivo per applicazioni come transistor e sensori, e allo stesso tempo migliora la qualità dei materiali passivando i difetti chiamati vacanze di zolfo. Il team prevede che un maggiore doping di renio potrebbe eliminare completamente gli effetti delle vacanze di zolfo.

"L'obiettivo di tutto il mio lavoro è portare questo materiale a livelli tecnologicamente rilevanti, il che significa renderlo industrialmente applicabile, " disse Zhang.