(Phys.org)-Ett nytt argument har just lagts till i det växande fallet för att grafen stöts av dess piedestal som nästa stora sak i den högteknologiska världen av de tvådimensionella halvledarna som kallas MX2-material. Ett internationellt samarbete mellan forskare som leds av en forskare med US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporterat den första experimentella observationen av ultrasnabb laddningsöverföring i foto-upphetsade MX2-material. Den registrerade laddningsoverföringstiden klockade in på under 50 femtosekunder, jämförbar med de snabbaste tiderna för organisk solceller.

"Vi har visat, för första gången, effektiv laddningsöverföring i heterostrukturer i MX2 genom kombinerad fotoluminescensmappning och övergående absorptionsmätningar, "säger Feng Wang, en kondensat fysiker med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och University of California (UC) Berkeleys fysikavdelning. "Med kvantitativt bestämd laddningsöverföringstid till mindre än 50 femtosekunder, vår studie tyder på att MX2 heterostrukturer, med sina anmärkningsvärda elektriska och optiska egenskaper och den snabba utvecklingen av syntes inom stora områden, har ett stort löfte för framtida fotoniska och optoelektroniska applikationer. "

Wang är motsvarande författare till ett papper i Naturnanoteknik beskriver denna forskning. Papperet har rubriken "Ultrasnabb laddningsöverföring i atomtunna MoS2/WS2 -heterostrukturer." Medförfattare är Xiaoping Hong, Jonghwan Kim, Su-Fei Shi, Yu Zhang, Chenhao Jin, Yinghui Sun, Sefaattin Tongay, Junqiao Wu och Yanfeng Zhang.

MX2 -monoskikt består av ett enda lager av övergångsmetallatomer, såsom molybden (Mo) eller volfram (W), klämd mellan två lager av kalkogenatomer, såsom svavel (S). Den resulterande heterostrukturen är bunden av den relativt svaga intermolekylära attraktionen som kallas van der Waals -kraften. Dessa 2D -halvledare har samma sexkantiga "bikakestruktur" som grafen och supersnabb elektrisk konduktans, men, till skillnad från grafen, de har naturliga energibandgap. Detta underlättar deras tillämpning i transistorer och andra elektroniska enheter eftersom, till skillnad från grafen, deras elektriska konduktans kan stängas av.

"Genom att kombinera olika MX2 -lager tillsammans kan en styra sina fysiska egenskaper, säger Wang, som också är utredare vid Kavli Energy NanoSciences Institute (Kavli-ENSI). "Till exempel, kombinationen av MoS2 och WS2 bildar en typ-II halvledare som möjliggör snabb laddningsseparation. Separationen av fotoexciterade elektroner och hål är avgörande för att driva en elektrisk ström i en fotodetektor eller solcell. "

Vid demonstration av de extremt snabba laddningsseparationsförmågan hos atomtunna prover av MoS2/WS2 -heterostrukturer, Wang och hans medarbetare har öppnat potentiellt rika nya vägar, inte bara för fotonik och optoelektronik, men även för solceller.

"MX2 halvledare har extremt starka optiska absorptionsegenskaper och jämfört med organiska solcellsmaterial, har en kristallin struktur och bättre elektriska transportegenskaper, "Wang säger." Faktor i en femtosekunds laddningsöverföringshastighet och MX2 -halvledare ger ett idealiskt sätt att separat separera elektroner och hål för elektrisk insamling och användning. "

Wang och hans kollegor studerar det mikroskopiska ursprunget för laddningsöverföring i MX2 -heterostrukturer och variationen i laddningsöverföringshastigheter mellan olika MX2 -material.

"Vi är också intresserade av att styra laddningsöverföringsprocessen med externa elektriska fält som ett sätt att använda MX2 -heterostrukturer i fotovoltaiska enheter, "Säger Wang.