Una tecnica che introduce molecole di carbonio-idrogeno in un singolo strato atomico del materiale semiconduttore disolfuro di tungsteno cambia drasticamente le proprietà elettroniche del materiale, secondo i ricercatori della Penn State della Penn State, che affermano di poter creare nuovi tipi di componenti per dispositivi fotoelettrici e circuiti elettronici ad alta efficienza energetica con questo materiale.

"Abbiamo introdotto con successo le specie di carbonio nel monostrato del materiale semiconduttore, " disse Fu Zhang, dottorando in scienze dei materiali e ingegneria autore principale di un articolo pubblicato online oggi in Progressi scientifici .

Prima di drogare - aggiungere carbonio - il semiconduttore, un dicalcogenuro di metallo di transizione (TMD), era di tipo n:conduzione di elettroni. Dopo aver sostituito gli atomi di carbonio con gli atomi di zolfo, il materiale dello spessore di un atomo ha sviluppato un effetto bipolare, un tipo p—buco—ramo, e un ramo di tipo n. Ciò ha provocato un semiconduttore ambipolare.

"Il fatto che tu possa cambiare drasticamente le proprietà aggiungendo solo il due percento atomico è stato qualcosa di inaspettato, "Mauricio Terrones, autore senior e illustre professore di fisica, chimica e scienza e ingegneria dei materiali.

Secondo Zhang, una volta che il materiale è altamente drogato con carbonio, i ricercatori possono produrre un tipo p degenerato con una mobilità dei portatori molto elevata. "Possiamo costruire n ⁺ /p/n ⁺ e p ⁺ /n/p ⁺ giunzioni con proprietà che non sono state osservate con questo tipo di semiconduttore, " Egli ha detto.

In termini di applicazioni, i semiconduttori sono utilizzati in vari dispositivi nell'industria. In questo caso, la maggior parte di questi dispositivi saranno transistor di diverso tipo.

"Questo tipo di materiale potrebbe anche essere utile per la catalisi elettrochimica, " Ha detto Terrones. "Si potrebbe migliorare la conduttività del semiconduttore e avere attività catalitica allo stesso tempo".

Ci sono pochi articoli nel campo del doping di materiali 2-D, perché richiede che più processi avvengano contemporaneamente in condizioni specifiche. La tecnica del team utilizza un plasma per abbassare la temperatura alla quale il metano può essere frantumato, diviso, fino a 752 gradi Fahrenheit. Allo stesso tempo, il plasma deve essere abbastanza forte da far uscire un atomo di zolfo dallo strato atomico e sostituire un'unità carbonio-idrogeno.

"Non è facile drogare i monostrati, e poi misurare il trasporto del vettore non è banale, " Dice Terrones. "C'è un punto debole in cui stiamo lavorando. Servono tante altre cose».

Susan Sinnot, professore e capo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, fornito calcoli teorici che hanno guidato il lavoro sperimentale. Quando Terrones e Zhang hanno osservato che il drogaggio del materiale 2-D stava cambiando le sue proprietà ottiche ed elettroniche, qualcosa che non avevano mai visto prima, il team di Sinnott ha previsto il miglior atomo con cui drogarsi e ha previsto le proprietà, che corrispondeva all'esperimento.

Saptarshi Das, professore assistente di scienze ingegneristiche e meccaniche, e il suo gruppo, quindi misurato il trasporto del vettore in vari transistor con quantità crescenti di sostituzione del carbonio. Hanno visto la conduttanza cambiare radicalmente fino a quando non hanno cambiato completamente il tipo di conduzione da negativo a positivo.

"È stato un lavoro molto multidisciplinare, "dice Terrone.

Ulteriori autori sul Progressi scientifici carta, intitolato "Carbon doping of WS ₂ monostrati:riduzione del bandgap e trasporto del drogaggio di tipo p, " includere gli attuali o ex studenti di dottorato Yanfu Lu, Daniel Schulman, Tianyi Zhang, Zhong Lin e Yu Lei; e Ana Laura Ellias e Kazunori Fujisawa, professori assistenti di fisica.