(Vänster) Graf som visar förändringen i fotoluminescens av MoS2 vid exponering för enbart H2O, O2 ensam, och omgivande luft vid tryck på 7, 200, och 760 Torr, respektive. (Höger) Figur som visar skillnaden i laddningstätheten mellan orörd MoS2 och O2-adsorberad MoS2. Kredit:Sefaattin Tongay, et al. ©2013 American Chemical Society
(Phys.org) – Omnämnandet av ett tvådimensionellt material med utmärkta elektriska och optiska egenskaper kan först föra tankarna till grafen. Dock, denna beskrivning passar också en annan klass av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMD). Även om TMD i bulkform har studerats i årtionden - innan grafen ens upptäcktes - har de bara nyligen isolerats till monolager. Med de senaste framstegen inom karakterisering av nanomaterial, forskare har insett potentialen hos monolager TMD i applikationer som LED, optisk energiomvandling, och andra 2D-optoelektronikteknologier.
Enskikts-TMD är direktbandsgap-halvledare och, av den anledningen, förväntas vara bra ljussändare. Men hittills, monolager TMD:er har sänt ut ljus endast vid låga intensiteter och låga verkningsgrader. Och eftersom den underliggande fysiken för monolager TMD-ljusemission har förblivit svårfångad, forskare har haft svårt att göra förbättringar.
Nu är en ny studie utförd av forskare vid materialvetenskapliga och tekniska avdelningarna vid University of California, Berkeley, och MIT, samt från Institute of Semiconductors vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking, Kina, har visat på en förbättring av ljusemissionsintensiteten för TMD:er med en faktor 100. Studien publiceras i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
"Betydningen av detta arbete är demonstrationen och förståelsen av ljusmoduleringen genom molekylär och elektrisk grindning, " medförfattare Sefaattin Tongay, en postdoktorand forskare vid Berkeley, berättade Phys.org . "Vi har presenterat en detaljerad förståelse av den observerade moduleringen och uppnått anmärkningsvärda ljusemissionsintensiteter. Dessa resultat har en långtgående inverkan på fältet, eftersom monolager TMD:er har stort yta-till-volymförhållande och därför är mycket känsliga för omgivningsförhållanden. Våra resultat bevisar en detaljerad förståelse av förändringar i de optiska egenskaperna orsakade av interaktionen mellan gasmolekyler och monolager TMD. Här, vi drar fördel av denna egenskap och modulerar ljusemissionen reversibelt upp till 100 gånger med enkla gas- och elektriska grindmetoder."
Till skillnad från grafen, som är ett organiskt material som enbart består av kolatomer, de TMD som forskarna studerade här är oorganiska material där varje molekyl är gjord av en övergångsmetall och två kalkogenider. Deras kemiska formel är MX 2 , med vanliga exempel är MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 och WSe 2 .
I sina experiment, forskarna förberedde först monolager MoS 2 flingor som bara var 0,7 nm, eller tre atomer, tjock. Sedan, för att göra flingorna mer känsliga för gasmolekyler, forskarna glödgade flingorna genom att placera dem i en vakuumkammare vid hög temperatur. Efter glödgning, enskiktsflingorna exponerades för olika typer av gaser vid kontrollerade gastryck.
Vid exponering för H 2 O, O 2 , eller H 2 O och O 2 tillsammans, MoS2-flingornas ljusemissionsintensitet ökade med 10, 35, och 100 gånger, respektive. Forskarna observerade inte samma förbättring i en inert gas (N 2 och Ar) miljö, vilket tyder på att effekten verkar vara direkt relaterad till interaktionen mellan O 2 och H 2 O och monolager TMD.
Forskarna fann också att effekten är helt reversibel när gasen pumpas ut ur kammaren, vid vilken punkt intensiteten omedelbart återgår till sitt ursprungliga värde. Som forskarna noterade, Reversibel ljusemissionsintensitet är ett viktigt kriterium för olika optiktillämpningar. Reversibiliteten tyder också på att O 2 och H 2 O-molekyler fysisorberas snarare än kemisorberas på MoS2-ytan. Som fysiskt absorberade molekyler, molekylstrukturen förblir oförändrad, till skillnad från kemiskt absorberade molekyler.
Ännu mer intressant, forskarna fann att medan MoSe 2 uppvisar liknande gaskänslighet för MoS 2 , WSe 2 visar det motsatta beteendet; det är, dess ljusemissionsintensitet minskar vid exponering för O 2 och/eller H 2 O.
Dessa observationer, tillsammans med simuleringar, gjorde det möjligt för forskarna att föreslå en fysisk mekanism för att förklara effekten. De tror att, när gasmolekylerna fysisorberas på MoS 2 (eller MoSe 2 ) yta, några av de fria elektronerna från ytan överförs till gasmolekylerna, utarmar MoS 2 (eller MoSe 2 ) av dess fria elektroner. I vanliga fall, excitonerna i ytan skulle bli bundna till elektroner och bli negativt laddade "trioner". Men utan överskottet av fria elektroner, excitonerna förblir neutrala och stabila, främjar mer intensiv ljusemission.
"Denna [modulering] är möjlig för systemet vi studerade på grund av dess tvådimensionella natur, vilket inte bara ger det maximala förhållandet mellan yta och volym (därför maximala ytplatser för att interagera med gasmolekyler), men begränsar också elektroner till den grad som avsevärt förbättrar interaktionerna mellan elektroner, hål och ljus, " förklarade medförfattaren Junqiao Wu, professor vid University of California, Berkeley.
Denna mekanism förklarar också varför WSe2 visar det motsatta beteendet som MoS 2 och MoSe 2 . MoS 2 och MoSe 2 ytor har fria elektroner i första hand eftersom de båda är dopade halvledare av n-typ. WSe 2 , å andra sidan, är en p-typad dopad halvledare och har fria hål snarare än elektroner. Så för WSe 2 , den O 2 och/eller H 2 O gasmolekyler gör att hålen samlas, snarare än att bli uttömd, på WSe 2 yta. Som ett resultat, WSe 2 innehåller ännu fler trioner än innan det exponerades för gasmolekylerna, vilket minskar dess ljusemissionsintensitet.
Forskarna visade också liknande ljusemissionsmodulering i elektriskt grindade enheter i en kontrollerad gasmiljö. Dock, moduleringen i detta fall var försumbar när enheten arbetade under vakuum. Fyndet tyder på att elektrisk grindning också kan modulera ljusemission genom att kontrollera gasfysysorptionen på monolager TMD.
Möjligheten att reversibelt kontrollera ljusemissionsintensiteten hos halvledande TMD:er genom att kontrollera gastrycket och elektriska grindar kan ha långtgående effekter för fälten av kondenserad materiens fysik, optik, materialvetenskap och teknik, och elektronik. Forskarna förutspår att med den nya förståelsen för hur interaktionen mellan gas- och monolager-TMD påverkar TMD:s optiska egenskaper, ytterligare förbättringar av ljusemissionsintensiteten kan uppnås. Till exempel, experimentera med olika gasmolekyler, modifiera monolagerytan med kemiska medel som ökar känsligheten för gasmolekyler, och att avsiktligt skapa punktdefekter i monoskiktet för att främja fysisorption kan ytterligare öka ljusemissionsintensiteten, gör monolager TMD:er ännu mer lämpade för optoelektroniktillämpningar.
I framtiden, forskarna planerar att arbeta med att utveckla nya material med ovanliga egenskaper genom att konstruera deras fysikaliska egenskaper, som de gjorde här.
"Vi kommer att studera effekterna av eventuella ofullkomligheter i allmänhet i sådana tvådimensionella halvledare, inklusive atomära defekter, substrateffekter, samt interaktioner med molekyladsorbater, " sa Wu.
© 2013 Phys.org
