Fotoluminescensspektrumet vid 77K för orörda MoS2 och MoS2 med defekter skapade av två olika bestrålningsdoser. Defekterna ökar intensiteten hos den ursprungliga fotoluminescenstoppen (X0) samt skapar en ny topp (XB). Kredit:Tongay, et al. ©2013 Natur
När forskare tar bort enskilda atomer i ett halvledarmaterial, de resulterande vakanserna blir punktdefekter. I motsats till vad deras namn antyder, dessa defekter kan ha gynnsamma effekter på halvledarens egenskaper och möjliggöra de flesta funktioner hos elektroniska material. I en ny studie, forskare har visat att punktdefekter i 2D-halvledare resulterar i en ökning av den totala fotoluminescensintensiteten vid rumstemperatur. Ytterligare, defekterna skapar en ny emissionstopp som kan leda till en bättre förståelse av defektfysik i 2D-halvledare samt framtida applikationer som flerfärgade ljusemitterande enheter.
Forskarna, ledd av Sefaattin Tongay, Joonki Suh, och J. Wu, vid University of California, Berkeley, kinesiska vetenskapsakademin i Peking, och MIT, har publicerat sin artikel om effekterna av punktdefekter på 2D-halvledare i ett färskt nummer av Nature's Vetenskapliga rapporter .
"Vanligtvis, materialfel anses vara något man inte vill ha, " berättade Tongay Phys.org . "Tvärtom, de flesta av materialens funktionaliteter möjliggörs av olika brister såsom defekter. I det här arbetet, vi visar att konstruktion av defekterna i tvådimensionella material gör att vi kan skapa ytterligare en ljusemissionskanal och även förbättra ljusemissionen.
"Detta kommer sannolikt att bli en milstolpe på området. Vi forskare visste inte hur man kunde observera defekter med optiska metoder, och här har vi hittat de första signaturerna av defekter i 2D -halvledare. Det är spännande. Tydligen, defekter är ett annat sätt att justera/aktivera materialets egenskaper på begäran."
Även om fysiken för punktdefekter i 3D-halvledare har studerats brett, mycket mindre är känt om punktdefekter i de mer nyligen utvecklade 2D-halvledarna. De lågdimensionella elektroniska systemen är mycket känsliga för störningar och ofullkomligheter. I 2D-halvledare, denna benägenhet förväntas starkt påverka elektroniska och excitoniska processer. En sådan typ av nyligen framväxande 2D-halvledare är monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs). Eftersom TMD:er har direkta bandgap, vilket betyder att elektroner direkt kan avge fotoner, de är lovande ljusemitterande material.
Här, forskarna fann att ta bort kalkogen (svavel) atomer från ett 0,7 nm tjockt prov av TMD MoS 2 ändrar avsevärt dess optiska egenskaper. När antalet defekter i materialet ökar, den övergripande ljusstyrkan för det ljus som avges av materialet ökar. Detta ljus har en fotoluminescenstopp på 1,90 eV, som bestämmer dess våglängd och färg. Men defekterna skapade också en ny fotoluminescenstopp vid 1,78 eV.
Forskarna fann att denna lägre energitopp dominerar fotoluminescensspektrumet vid låga temperaturer, och blir svagare när temperaturen ökar tills den helt försvinner över 250 K (-23 °C). Dock, vid rumstemperatur, närvaron av sådana defekter ökar ljusemissionen. Denna observation går emot den konventionella visdomen inom det nya området 2D-halvledare, vilket har varit att optisk emissionsintensitet vid rumstemperatur är tillräckliga kriterier för att bedöma kristallkvaliteten hos 2D-halvledare; resultaten här tyder på att bedömningar av kristallkvalitet bör innefatta fotoluminescensmätningar vid låg temperatur.
Forskarna visade också att vakansdefekter har liknande effekter på de optiska egenskaperna hos två andra TMD, MoSe 2 och WSe 2 . Dessa resultat indikerar att effekterna av punktdefekter sannolikt är universella i andra 2D-halvledare, också.
Forskarna föreslår att den underliggande mekanismen för dessa effekter beror på interaktionen mellan defekta platserna med kvävgas i luften. I vakuum, defekterna hade ingen effekt på TMD:ernas optiska egenskaper. Forskarna förklarar att N 2 molekyler i luften kan dränera fria elektroner från materialet på defekta platserna, vilket resulterar i en större andel fria excitoner (elektroner bundna till hål) i materialet. En del av de fria excitonerna blir sedan fångade och bundna av de defekta vakanserna, bildar bundna excitoner. Så småningom, både fria och bundna excitoner rekombinerar radiativt och ger två distinkta ljusemissionstoppar vid 1,90 eV (~650 nm) och 1,78 eV (~700 nm), respektive.
Eftersom forskare kan skapa dessa defekter genom bestrålning eller termisk glödgning, defektdensiteten – och de resulterande förändringarna i materialets optiska egenskaper – kan kontrolleras via defektteknik. Denna förmåga kan leda till produktion av 2D-halvledare med flera bandgap, flerfärgade ljusemissionsanordningar, och optiska gassensorer, bland andra applikationer.
"Med en smart design, punktdefekta 2D-halvledare visar potentiellt bättre materialprestanda, som kan realiseras genom att avslöja defektfysik i 2D-system, " sa Suh. "Det är vårt lags slutmål!"
© 2013 Phys.org
