L'assemblaggio di eterostrutture 2D simili a Lego può dare origine a proprietà e funzionalità emergenti molto diverse dalle caratteristiche intrinseche dei costituenti.

I calcoli della struttura a bande basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) possono far luce sulle proprietà interfacciali di diverse eterostrutture.

Proprietà dell'interfaccia di eterostrutture 2D perovskite/TMD

Le eterostrutture basate su diversi materiali 2D hanno prodotto "nuove" proprietà che possono essere significativamente diverse da quelle dei singoli materiali. Tali eterostrutture possono essere realizzate assemblando diversi tipi di materiali 2D atomicamente sottili.

Una di queste famiglie di materiali 2D, le perovskiti 2D, mostrano interessanti proprietà fotofisiche e una migliore stabilità rispetto alle tipiche perovskiti sfuse. Tuttavia, fino ad ora, le metriche delle prestazioni dei dispositivi optoelettronici nel vicino infrarosso (NIR) / nel campo visibile delle perovskiti 2D sono state piuttosto scarse a causa di alcune limitazioni intrinseche e specifiche dei materiali come ampi gap di banda, energie di legame degli eccitoni insolitamente elevate e basso assorbimento ottico.

Un nuovo studio condotto da ricercatori della Monash University esamina una metodologia per migliorare le prestazioni del dispositivo optoelettronico ed estendere le funzionalità delle perovskiti 2D coniugandole con dicalcogenuri di metalli di transizione otticamente attivi (TMD). Le perovskiti 2D e le TMD sono strutturalmente dissimili, tuttavia possono formare interfacce pulite a causa delle interazioni di van der Waals tra gli strati sovrapposti. Utilizzando calcoli accurati dei primi principi, gli autori dimostrano che la nuova interfaccia (allineamento della banda) e le proprietà di trasporto sono fattibili in eterostrutture 2D perovskite/TMD che possono essere ampiamente ottimizzate in base alla scelta appropriata dei costituenti.

Per comprendere accuratamente le proprietà dell'interfaccia, gli autori hanno creato strutture reticolari delle interfacce e ne hanno esplorato le proprietà attraverso calcoli ad alta intensità di memoria utilizzando strutture di supercalcolo.

In sistemi specifici, gli allineamenti di tipo II previsti con bandgap NIR/visibili possono consentire un migliore assorbimento ottico a energie relativamente inferiori. Inoltre, offset di banda considerevoli e possibilità di eccitoni interstrato con energie di dissociazione inferiori possono portare a una più facile separazione tra gli strati dei portatori di carica eccitati attraverso due materiali. Questi rendono la possibilità di ottenere fotocorrenti più elevate e migliori efficienze delle celle solari. I ricercatori prevedono anche la possibilità di sistemi di tipo I per dispositivi basati sulla ricombinazione come diodi emettitori di luce e sistemi di tipo III per realizzare il trasporto in tunnel. Inoltre, mostrano anche una significativa tolleranza alla deformazione in tali eterostrutture 2D perovskite/TMD, un prerequisito per sensori flessibili.

"Nel complesso, questi risultati dimostrano che una selezione di eterostrutture guidata dal calcolo potrebbe offrire piattaforme migliori rispetto ai materiali intrinseci per applicazioni di dispositivi specifici e avere un potenziale nei dispositivi multifunzionali di prossima generazione come fotosensori flessibili o LED", afferma FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar che ha guidato il lavoro con Ph.D. lo studente Abin Varghese e il ricercatore post-dottorato Dr. Yuefeng Yin.

Sintonizzazione della polarità delle correnti fotogenerate

Esplorando ulteriormente la fisica delle eterostrutture 2D, il team ha collaborato con sperimentatori guidati dal Prof. Saurabh Lodha dell'IIT Bombay, in India, per spiegare l'emergere di un fenomeno optoelettronico ancora sconosciuto. Nel primo lavoro su WSe₂ /SnSe₂ eterostrutture, all'illuminazione, la polarità della fotocorrente ha mostrato una dipendenza dal tipo di trasporto elettrico (termonico o tunneling) attraverso l'interfaccia dell'eterostruttura.

I ricercatori di Monash hanno utilizzato calcoli della struttura delle bande dipendenti dal campo elettrico basati sulla teoria del funzionale della densità e hanno attribuito questa osservazione alla natura dell'allineamento delle bande all'interfaccia. Insieme, hanno dimostrato che un cambiamento nell'allineamento della banda dal tipo II al tipo III ha comportato un cambiamento nella polarità della fotocorrente da positiva a negativa.

In termini di prestazioni dei fotorilevatori, la reattività e il tempo di risposta sono parametri cruciali. In questo studio è stata osservata sperimentalmente un'elevata reattività negativa e tempi di risposta rapidi nei prototipi di dispositivi che incoraggiano l'ulteriore sviluppo di dispositivi basati su materiali 2D per applicazioni pratiche.

In un'altra eterostruttura comprendente fosforo nero e MoS₂ , gli esperimenti hanno illustrato una dipendenza dalla lunghezza d'onda dell'illuminazione dalla polarità della fotoconduzione. La fotoconduttanza negativa osservata a lunghezze d'onda specifiche al di sopra del bordo di assorbimento di MoS₂ potrebbe essere regolato in modo controllabile e reversibile su fotoconduttanza positiva a lunghezze d'onda inferiori. La lunghezza d'onda di soglia per il crossover tra fotoconduttanza negativa e positiva aveva una dipendenza cruciale dagli spessori delle scaglie. I calcoli della struttura delle bande dipendenti dallo spessore effettuati dai ricercatori di Monash hanno mostrato chiaramente la possibilità di un aumento della ricombinazione dei portatori di carica per spessori specifici che potrebbe portare a fotoconduttanza negativa, aiutando così le conclusioni.

Questi studi dimostrano nuovi metodi per controllare il meccanismo di rilevamento nei fotorilevatori che non è stato ancora studiato in tali dettagli. + Esplora ulteriormente

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