En ny SHG-avbildningsteknik möjliggör snabb och helt optisk bestämning av kristallorienteringarna av 2-D-halvledarmembran i stor skala, tillhandahålla den kunskap som behövs för att använda dessa material i nanoelektroniska enheter. Kredit:Xiang Zhang group
(Phys.org) —Strävan efter att utveckla ultrasmå och ultrasnabba elektroniska enheter med ett enda atomlager av halvledare, såsom övergångsmetalldikalkogenider, har fått ett betydande uppsving. Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har registrerat de första observationerna av en stark olinjär optisk resonans längs kanterna på ett enda lager av molybdendisulfid. Förekomsten av dessa kanttillstånd är nyckeln till användningen av molybdendisulfid i nanoelektronik, samt en katalysator för väteutvecklingsreaktionen i bränsleceller, avsvavling och andra kemiska reaktioner.
"Vi observerade starka olinjära optiska resonanser vid kanterna av en tvådimensionell kristall av molybdendisulfid", säger Xiang Zhang, en fakultetsvetare med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som ledde denna studie. "Dessa endimensionella kanttillstånd är resultatet av elektroniska strukturförändringar och kan möjliggöra ny nanoelektronik och fotoniska enheter. Dessa kanter har också länge misstänkts vara de aktiva platserna för den elektrokatalytiska väteutvecklingsreaktionen i energitillämpningar. Vi upptäckte också extraordinära andra harmoniska ljusgenereringsegenskaper som kan användas för in situ-övervakning av elektroniska förändringar och kemiska reaktioner som uppstår vid de endimensionella atomkanterna. "
Zhang, som också innehar Ernest S. Kuh Endowed Chair Professor vid University of California (UC) Berkeley och leder National Science Foundation's Nano-skala Science and Engineering Center, är motsvarande författare till en artikel i Vetenskap beskriver denna forskning. Uppsatsen har titeln "Edge Nolinear Optics on a MoS2 Atomic Monolayer." Medförfattare är Xiaobo Yin, Ziliang Ye, Daniel Chenet, Yu Ye, Kevin O'Brien och James Hone.
Framväxande tvådimensionella halvledare är prisade inom elektronikindustrin för sin överlägsna energieffektivitet och förmåga att bära mycket högre strömtätheter än kisel. Endast en enda molekyl tjock, de är väl lämpade för integrerade optoelektroniska enheter. Tills nyligen, grafen har varit den obestridda superstjärnan av 2D-material, men idag är det stor uppmärksamhet fokuserad på 2D-halvledande kristaller som består av ett enda lager av övergångsmetallatomer, som molybden, volfram eller niob, inklämd mellan två lager av kalkogenatomer, såsom svavel eller selen. Med samma platta hexagonala "bikakestruktur" som grafen och många av samma elektriska fördelar, dessa övergångsmetalldikalkogenider, till skillnad från grafen, har direkta energibandgap. Detta underlättar deras tillämpning i transistorer och andra elektroniska enheter, speciellt lysdioder.
(A) Optisk bild av ett stort område med monoskikt MoS2 och (B) en SHG-bild av samma område som avslöjar korn och korngränser där translationell symmetri bryts för att bilda 1-D-kanttillstånd. Kredit:Xiang Zhang-gruppen
Full insikt i den stora potentialen hos övergångsmetalldykalkogenider kommer bara med en bättre förståelse av domänorienteringen av deras kristallstrukturer som ger upphov till deras exceptionella egenskaper. Tills nu, dock, experimentell avbildning av dessa tre atomtjocka strukturer och deras kanter har begränsats till att skanna tunnelmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi, tekniker som ofta är svåra att använda. Icke-linjär optik vid kristallkanterna och gränserna gjorde det möjligt för Zhang och hans medarbetare att utveckla en ny avbildningsteknik baserad på andra harmoniska generationens (SHG) ljusemissioner som enkelt kan fånga kristallstrukturerna och kornorienteringarna med ett optiskt mikroskop.
"Vår icke-linjära optiska bildteknik är en icke-invasiv, snabb, lätt metrologisk inställning till studiet av 2D atomära material, "säger Xiaobo Yin, huvudförfattaren till Vetenskap paper och en tidigare medlem av Zhangs forskargrupp som nu är på fakulteten vid University of Colorado, Flyttblock. "Vi behöver inte förbereda provet på något speciellt substrat eller vakuummiljö, och mätningen stör inte provet under avbildningsprocessen. Denna fördel möjliggör in-situ-mätningar under många praktiska förhållanden. Vidare, vår bildteknik är en ultrasnabb mätning som kan ge kritisk dynamisk information, och dess instrumentering är mycket mindre komplicerad och billigare jämfört med scanning tunnelmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi."
För SHG-avbildning av molybdendisulfid, Zhang och hans medarbetare belyste provmembran som bara är tre atomer tjocka med ultrasnabba pulser av infrarött ljus. De olinjära optiska egenskaperna hos proverna gav ett starkt SHG-svar i form av synligt ljus som är både avstämbart och koherent. De resulterande SHG-genererade bilderna gjorde det möjligt för forskarna att upptäcka "strukturella diskontinuiteter" eller kanter längs 2D-kristallerna bara några få atomer breda där kristallens translationella symmetri var bruten.
"Genom att analysera de polariserade komponenterna i SHG-signalerna, vi kunde kartlägga kristallorienteringen av molybdendisulfid-atommembranet, " säger Ziliang Ye, medförfattare till artikeln och nuvarande medlem av Zhangs forskargrupp. "Detta gjorde det möjligt för oss att fånga en komplett karta över kristallkornstrukturerna, färgkodad enligt kristallorientering. Vi har nu en realtid, icke-invasivt verktyg som låter oss utforska det strukturella, optisk, och elektroniska egenskaper hos 2D-atomlager av dikalkogenider av övergångsmetall över ett stort område."
