Per proteggere i dicalcogenuri dei metalli di transizione a semiconduttore monostrato (S-TMD) dall'ossidazione, devono essere interamente schermati dalla luce, con un'esposizione anche breve che causa un'ossidazione abbastanza grave da danneggiare i contatti elettrici e distruggere completamente le caratteristiche ottiche.

Una nuova, La collaborazione condotta dalla Monash University ha dimostrato che l'ossidazione dei monostrati di disolfuro di tungsteno (WS2) in condizioni ambientali è dovuta all'assorbimento delle lunghezze d'onda visibili della luce.

Il nuovo lavoro, in collaborazione con ricercatori statunitensi. Laboratorio di ricerca navale e Università dell'Università Autonoma di Madrid, informa i ricercatori che lavorano nel campo della natura fotosensibile finora non apprezzata di questi materiali, e, cosa più importante, funge da guida per evitare completamente l'ossidazione in campioni esposti a condizioni ambientali.

"Questo lavoro dovrebbe guidare i ricercatori nelle migliori pratiche per la produzione di dispositivi S-TMD, "dice l'autore principale, Il signor Jimmy Kotsakidis.

Sebbene sia già noto che si verifica l'ossidazione di dicalcogenuri di metalli di transizione a semiconduttore monostrato (S-TMD) in condizioni ambientali, il meccanismo dietro non è stato chiaro.

Il nuovo studio mostra per la prima volta che l'ossidazione dell'S-TMD WS2 in condizioni ambientali richiede luce di lunghezza d'onda adeguata:l'ossidazione è causata da una luce sufficientemente energica da causare transizioni elettroniche nel WS2, ovvero, l'ossidazione osservata in condizioni ambientali è fotoindotta. I ricercatori postulano che ciò avvenga attraverso due meccanismi plausibili, Trasferimento di energia per risonanza di Förster (FRET) e fotocatalisi. A causa della chimica simile degli S-TMD, si pensa che questo stesso effetto dovrebbe essere osservabile in MoS2 e altri S-TMD nella stessa famiglia di materiali.

Lunghezze d'onda della luce a 660 nm o inferiori (cioè, lunghezze d'onda visibili) è stato trovato per ossidare significativamente WS2. In contrasto, i campioni non si ossidano se esposti a luce di 760 nm (con troppo poca energia fotonica per eccitare le transizioni elettroniche in WS2), o sono stati conservati al buio (10 mesi), o in atmosfera di azoto illuminata con luce (7 giorni).

"Questo importante effetto [fotoossidazione] è stato trascurato negli S-TMD da quando sono iniziati gli studi sull'ossidazione nel 1955 circa. Pertanto, crediamo che queste nuove scoperte avranno implicazioni significative per precedenti, regalo, e studi futuri riguardanti S-TMD misurati, immagazzinato, o manipolato in condizioni ambientali, " dice il signor Kotsakidis.

Dicalcogenuri di metalli di transizione atomicamente sottili come WS2, hanno riscosso molto interesse negli ultimi dieci anni a causa delle loro straordinarie proprietà ottiche ed elettriche e quindi, possibile utilizzo in futuri dispositivi elettronici e optoelettronici.

Questo nuovo lavoro informa i ricercatori che lavorano nel campo della natura fotosensibile finora non apprezzata di questi materiali, e, cosa più importante, funge da guida per evitare completamente l'ossidazione in campioni esposti a condizioni ambientali. Mentre studi precedenti hanno scoperto che gli S-TMD monostrato possono richiedere settimane per ossidarsi visibilmente, questo lavoro mostra che ciò può accadere in appena 7 giorni anche in condizioni di scarsa illuminazione.

"Comprendere la stabilità degli S-TMD in condizioni ambientali e sotto illuminazione leggera, cruciale per le misurazioni e le manipolazioni intraprese in quelle condizioni, è essenziale per il loro sviluppo in potenziali applicazioni, ", afferma il co-autore Prof Michael Fuhrer.

I ricercatori hanno studiato i monostrati del dichalcogenuro di metallo di transizione semiconduttore (S-TMD) WS2 cresciuto mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD). I campioni sono stati esposti a quantità controllate di luce, e poi caratterizzato mediante microscopia ottica, microscopia confocale a scansione laser (LSCM), spettroscopia di fotoluminescenza (PL), e microscopia a forza atomica (AFM).

I ricercatori hanno scoperto che il monostrato WS2 esposto a condizioni ambientali in presenza di luce ambientale ha mostrato danni dovuti all'ossidazione che potrebbero essere rilevati con LSCM e AFM, sebbene non fosse evidente nella microscopia ottica convenzionale a causa del contrasto e della risoluzione inferiori.

Lo studio ha osservato che questa ossidazione non era casuale ed era correlata con un'elevata simmetria, bordi ad alta intensità e aree spostate verso il rosso nella mappa della spettroscopia PL, aree che si ritiene contengano una maggiore concentrazione di vacanze di zolfo.

In contrasto, i campioni tenuti al buio non hanno mostrato segni di ossidazione fino a 10 mesi.

I ricercatori hanno quindi eseguito esposizioni controllate a luce con irradiazione molto bassa a diverse lunghezze d'onda per lunghi periodi di tempo. La bassa intensità assicurava che eventuali danni non fossero dovuti al riscaldamento della luce. Hanno scoperto che i campioni esposti alla luce con energia fotonica sufficiente per eccitare WS2 hanno mostrato ossidazione, mentre le energie dei fotoni al di sotto di questa soglia non hanno ossidato WS2. Questa forte dipendenza dalla lunghezza d'onda e l'apparente mancanza di dipendenza dall'irraggiamento suggerisce che l'ossidazione ambientale di WS2 è iniziata da transizioni di banda elettroniche mediate da fotoni, questo è, fotoossidazione.