Molekyler av monolager molybdendisulfid (MoS2) och volframdiselenid (WSe2) ovanpå ett metallsubstrat. Kredit:National University of Singapore
Forskare från National University of Singapore har upptäckt mekanismen som är involverad när övergångsmetalldikalkogenider på metalliska substrat omvandlas från den halvledande 1H-fasen till den kvasimetalliska 1T'-fasen.
Tvådimensionella dikalkogenider av övergångsmetall (2-D-TMDs) såsom monolager molybdendisulfid (MoS 2 ) är atomärt tunna halvledare där ett lager av övergångsmetallatom är inklämt mellan två lager av kalkogenatomer, i formen MX2. De kan existera i både en halvledande 1H-fas och en kvasimetallisk 1T'-fas, var och en har olika kristallstruktur. 1T'-fasen är särskilt intressant eftersom teoretiska förutsägelser visar att den har potential att användas i mindre konventionella tillämpningar, såsom superkondensatorelektroder och väteutvecklingsreaktionskatalysatorer. Dock, mängden 1T'-fas 2-D-TMD:er som kan erhållas genom att omvandla dem från 1H-fasen genom en fasövergångsprocess är låg. Detta begränsar potentiellt användningen av sådana nya material för ett brett spektrum av applikationer.
En forskargrupp ledd av professor Andrew Wee från institutionen för fysik vid National University of Singapores (NUS) naturvetenskapliga fakultet har upptäckt att medan olika 2-D-TMD-material har sina egna inneboende energibarriärer när de går från 1H till 1T "strukturfasen, Användningen av ett metalliskt substrat med högre kemisk reaktivitet kan signifikant öka utbytet av 1H- till 1T'-fasövergången. Detta är en bekväm och högavkastande metod för att erhålla 2-D-TMD-material i deras 1T 'metallfas. När 2-D-TMD-materialet placeras i kontakt med metallsubstratet, som guld, silver och koppar, elektriska laddningar överförs från metallsubstratet till 2-D-TMD-materialet. Vidare, det försvagar bindningsstyrkan hos 2-D-TMD-strukturen avsevärt, och ökar storleken på gränssnittsbindande energi. Detta ökar i sin tur känsligheten för 1H-1T' strukturella fasövergången. Som ett resultat, denna förbättrade gränsythybridisering vid gränsytan mellan de två materialen gör den strukturella fasövergången 1H-1T' mycket lättare att uppnå.
NUS forskargrupp kombinerade flera experimentella tekniker och första principberäkningar i sitt forskningsarbete. Dessa inkluderar optiska spektroskopier, högupplösta transmissionselektronmikroskopi och densitetsfunktionella teorier baserade på första principberäkningar för att identifiera fasförändringarna – både 1H- och 1T'-faserna – av 2-D-TMD i proverna.
Denna studie ger nya insikter om inverkan av gränssnittshybridisering som påverkar fasövergångsdynamiken hos 2-D-TMD. Fynden kan potentiellt användas i ett modellsystem för kontrollerad tillväxt av 2-D-TMD på metalliska substrat, skapa möjligheter för nya 2-D-TMD-baserade enhetsapplikationer.
Prof Wee sa, "Styrbarheten av fasövergången mellan halvledare och metall vid 2-D-TMD och metallgränssnitt kan möjliggöra nya enhetstillämpningar som elektroder med lågt kontaktmotstånd."