Una nuova generazione di elettronica e optoelettronica potrebbe presto essere possibile controllando gli angoli di torsione in un particolare tipo di materiale 2D a doppio strato utilizzato in questi dispositivi, rafforzando la carica elettrica intrinseca che esiste tra i due strati, secondo i ricercatori della Penn State, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology e Rutgers University.

I ricercatori hanno lavorato con materiali 2D dicalcogenuri di metalli di transizione regolari (TMD) e Janus TMD, una classe di materiali 2D che prende il nome dal dio romano della dualità, Janus. Questi materiali 2D a doppio strato hanno un'interazione tra strati nota come accoppiamento interstrato di van der Waals che porta a un trasferimento di carica, un processo importante per la funzionalità dei dispositivi elettronici. Il trasferimento di carica per entrambi i lati dei TMD convenzionali è lo stesso poiché ogni lato ha lo stesso tipo di atomi. Nel caso dei materiali Janus TMD, gli atomi su ciascun lato del materiale sono di tipi diversi, portando a un trasferimento di carica vario quando ogni lato è in contatto con altri materiali 2D.

"Nel nostro studio, i due tipi di atomi su ciascun lato del materiale Janus TMD erano zolfo e selenio", ha affermato Shengxi Huang, assistente professore di ingegneria elettrica e ingegneria biomedica presso la Penn State e coautore dello studio recentemente pubblicato su ACS Nano . "Poiché sono diversi, può esserci una separazione di carica o uno squilibrio di carica per il lato superiore e inferiore. Crea un campo elettrico intrinseco diretto verticalmente che è molto diverso dai materiali 2D convenzionali".

Nella ricerca precedente, Huang e gli altri ricercatori hanno lavorato per capire se questo campo elettrico intrinseco avrebbe un impatto sui materiali 2D adiacenti quando sono stratificati. Hanno scoperto che l'accoppiamento è più forte nei materiali Janus 2D rispetto ai tradizionali materiali 2D, a causa della carica asimmetrica causata dai diversi tipi di atomi su ciascun lato.

Per il lavoro in corso, hanno impilato manualmente due tipi di strati di materiale, Janus TMD e normali materiali 2D, che hanno causato angoli casuali a seconda di come sono stati impilati. Ma quando hanno messo a punto gli angoli di come ogni strato è stato impilato a gradi specifici, hanno fatto una scoperta interessante. Se i materiali a forma di triangolo sono attorcigliati per impilarsi con un angolo di zero gradi, quando sono perfettamente allineati, o con un angolo di 60 gradi, quando sono l'esatto opposto del perfetto allineamento, hanno scoperto che gli accoppiamenti sono molto più forti di ad angoli casuali. Inoltre, hanno anche scoperto che l'accoppiamento tra gli strati è più forte quando il Janus TMD è stratificato sul TMD convenzionale con lo stesso tipo di elemento.

"La scoperta principale è stata che per questa stessa interfaccia zolfo/zolfo, l'accoppiamento interstrato è molto più forte dell'interfaccia zolfo/selenio", ha detto Huang. "E ciò è dovuto alla distribuzione di carica correlata alla direzione del dipolo in questi atomi. Ciò significa che può esserci un trasferimento di carica efficace tra i due strati. Sulla base del nostro calcolo, la separazione, ovvero la distanza tra gli strati intermedi, è molto più piccola , quindi questo dimostra che c'è un accoppiamento più forte."

Per scoprirlo, Huang e il team hanno utilizzato la spettroscopia Raman a bassa frequenza. Hanno fatto brillare la luce sui due strati di materiali 2D, che hanno fatto vibrare gli atomi dei materiali. Se la vibrazione è più veloce ea una frequenza più alta, ciò indica che l'accoppiamento tra gli strati è forte.

"Puoi immaginarlo usando una molla che collega due sfere", ha detto Huang. "Se la molla vibra molto velocemente, significa che questa primavera è forte."

L'altro metodo utilizzato dal team durante la sua ricerca è stata la spettroscopia di fotoluminescenza. Quando due strati di materiale 2D si scambiano cariche tra loro, l'intensità dell'emissione di luce in uno dei materiali diminuirà. Questo perché ci sono alcune cariche che si trasferiscono all'altro livello e non c'è abbastanza carica perché la fotoluminescenza avvenga nello strato "di invio".

"L'abbiamo usato come misura del grado di trasferimento di carica tra i due strati", ha affermato Kunyan Zhang, dottorando in ingegneria elettrica presso la Penn State e co-autore principale dello studio. "I risultati che abbiamo ottenuto dall'emissione di luce sono coerenti con la nostra spettroscopia Raman a bassa frequenza. Laddove vediamo un accoppiamento più forte dalla vibrazione atomica, vediamo anche un calo maggiore nell'emissione di luce."

Questi risultati sono importanti per il progresso dell'elettronica e dell'optoelettronica. Il controllo dell'accoppiamento tra gli strati e l'induzione di diversi comportamenti ottici e/o elettronici ha una grande importanza per le prestazioni di molti dispositivi optoelettronici ed elettronici.

"Queste nuove abilità materiali possono influenzare molte applicazioni, che vanno dall'optoelettronica ai dispositivi elettronici alle capacità catalitiche nei dispositivi elettrochimici come le batterie", ha affermato Huang. "Questi dispositivi sono ovunque nella nostra vita quotidiana, come l'illuminazione, l'elettronica, gli elettrodomestici e le batterie".

Il lavoro continuo in questo ambito di ricerca includerà il modo in cui l'accoppiamento interstrato influisce su altri tipi di materiali. Inoltre, i loro risultati potrebbero essere utili ad altri ricercatori in futuro.

"Le persone al di fuori del nostro campo potrebbero trarre vantaggio dal nostro studio", ha detto Zhang. "La messa a punto di questo tipo di accoppiamento interno utilizzando l'interfaccia con angoli di torsione non è stata studiata prima. Questi risultati potrebbero essere sorprendenti per altri nel campo 2D il cui lavoro non coinvolge Janus TMD". + Esplora ulteriormente

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