(Phys.org) —Från supersmörjmedel, till solceller, till valleytronics nya teknik, det finns mycket att vara upphetsad över med upptäckten av en unik ny tvådimensionell halvledare, rheniumdisulfid, av forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry. Rheniumdisulfid, till skillnad från molybdendisulfid och andra dikalkogenider, beter sig elektroniskt som om det vore ett 2D-monolager även som ett 3D-bulkmaterial. Detta öppnar inte bara dörren till 2D elektroniska applikationer med 3D -material, det gör det också möjligt att studera 2D-fysik med lätttillverkade 3D-kristaller.

"Rheniumdisulfid förblir en halvledare med direkt bandgap, dess fotoluminescensintensitet ökar medan dess Raman-spektrum förblir oförändrat, även med tillägg av ökande antal lager, säger Junqiao Wu, en fysiker vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som ledde denna upptäckt. "Detta gör bulkkristaller av rheniumdisulfid till en idealisk plattform för sondering av 2D -excitonisk och gitterfysik, kringgå utmaningen att förbereda stora områden, enkristall monolager."

Wu, som också är professor vid University of California-Berkeleys institution för materialvetenskap och teknik, ledde ett stort internationellt team av samarbetspartners som använde anläggningarna på Molecular Foundry, ett nationellt nanovetenskapscenter i USA:s energidepartement (DOE), för att framställa och karakterisera individuella monoskikt av rheniumdisulfid. Genom en mängd olika spektroskopitekniker, de studerade dessa monoskikt både som staplade flerlager och som bulkmaterial. Deras studie avslöjade att det unika med rheniumdisulfid härrör från en störning i dess kristallgittersymmetri som kallas en Peierls-distorsion.

"Halvledande dikalkogenider av övergångsmetall består av monolager som hålls samman av svaga krafter, " säger Sefaattin Tongay, huvudförfattare till en artikel som beskriver denna forskning i Naturkommunikation för vilken Wu var motsvarande författare. Uppsatsen fick titeln "Monolagerbeteende i bulk ReS2 på grund av elektronisk och vibrationsfrikoppling."

"Typiskt monoskikten i en halvledande övergångsmetall dikalkogenider, såsom molybdendisulfid, är relativt starkt kopplade, men isolerade monolager visar stora förändringar i elektronisk struktur och gittervibrationsenergier, "Tongay säger." Resultatet är att dessa material i bulk är halvledare för indirekta gap och i monoskiktet är de direktgap. "

Vilken Tongay, Wu och deras medarbetare fann i sina karakteriseringsstudier att rheniumdisulfid innehåller sju valenselektroner i motsats till de sex valenselektronerna av molybdendisulfid och andra dikalkogenider av övergångsmetall. Denna extra valenselektron förhindrar stark koppling mellan flera skikt av rheniumdisulfid.

"Den extra elektronen delas så småningom mellan två rheniumatomer, som får atomerna att röra sig närmare varandra, bildar kvasi-endimensionella kedjor inom varje lager och skapar Peierls-distorsionen i gittret, " säger Tongay. "När väl Peierls-förvrängningen äger rum, mellanskiktsregistret är till stor del förlorat, vilket resulterar i svag mellanskiktskoppling och monolagerbeteende i bulken."

Rheniumsulfids svaga mellanskiktskoppling bör göra detta material mycket användbart i tribologi och andra applikationer med låg friktion. Eftersom rheniumdisulfid också uppvisar starka interaktioner mellan ljus och materia som är typiska för enskiktshalvledare, och eftersom rheniumdisulfiden i bulk beter sig som om det vore ett monolager, det nya materialet bör också vara värdefullt för solcellstillämpningar. Det kan också vara ett billigare alternativ till diamant för valleytronics.

Inom valleytronics, vågkvanttalet för elektronen i ett kristallint material används för att koda information. Detta nummer härrör från spin och momentum för en elektron som rör sig genom ett kristallgitter som en våg med energitoppar och dalar. Att koda information när elektronerna finns i dessa minimala energidalar erbjuder en mycket lovande potentiell ny väg till kvantberäkning och ultrasnabb databehandling.

"Rheniumatomer har en relativt hög atomvikt, vilket betyder att elektronspin-omloppsinteraktioner är signifikanta, "Tongay säger." Detta kan göra rheniumdisulfid till ett idealiskt material för valleytronikapplikationer. "

Samarbetet undersöker nu sätt att justera egenskaperna hos rheniumdisulfid i både monolager- och bulkkristaller genom konstruerade defekter i gittret och selektiv dopning. De är också ute efter att legera rheniumdisulfid med andra medlemmar av dikalkogenidfamiljen.