Optiska bilder av två typer av MoTe2-monolagerprover:(a) MoTe2-flingor som var mycket självlysande till att börja med bibehåller sin ljusstyrka under den åtta dagar långa observationsperioden; (b) MoTe2-flingor som var svagt självlysande vid starten bleknar inom några dagar, och delar av dem verkar försvinna helt. Kredit:Bin Chen, et al. ©2015 American Chemical Society
(Phys.org) – När den utsätts för luft, ett självlysande 2D-material som kallas molybdentellurid (MoTe 2 ) verkar sönderfalla inom ett par dagar, förlorar sin optiska kontrast och blir praktiskt taget genomskinlig. Men när forskare undersökte ytterligare, de fann att försvinnandet är en illusion:materialet förblir strukturellt stabilt, och endast dess materialegenskaper förändras. Resultaten avslöjar insikt i miljöstabiliteten och ovanliga egenskaper hos en nyare klass av 2D-material som kallas övergångsmetalldikalkogenider (TMD).
Forskarna, ledd av Sefaattin Tongay, biträdande professor vid Arizona State University, har publicerat en artikel om den förändrade luminescensen i ett nyligen utgåva av ACS Nano .
"För närvarande, många forskare över hela världen visar mycket imponerande och lovande proof-of-concept-applikationer med 2D-materialsystem, men vi känner fortfarande inte till deras materiella stabilitet under långa tidsperioder, " berättade Tongay Phys.org . "Denna forskning presenterar det unika fallet med MoTe 2 , den enda TMD för infraröd räckvidd, där monolager visuellt försvinner men fysiskt fortfarande finns där."
Precis som andra TMD:er, Smolk 2 utmärker sig för sina intressanta optiska egenskaper. I bulkform, TMD:er är inte självlysande, men när flingor som är tjocka med ett atomlager exfolieras från huvuddelen, 2D-flingorna blir halvledare och avger ljus ganska starkt. Av denna anledning, 2D-halvledande TMD:er kan ha tillämpningar inom optoelektronik och solenergiomvandlingsteknologier. Som den enda TMD som har ett infrarött bandgap, Smolk 2 är särskilt lämplig för infraröda detektorer och tunnelfälteffekttransistorer.
Eftersom 2D-material har ett stort yta-till-volymförhållande, deras egenskaper kan påverkas av interaktioner mellan deras yta och miljön. Notera att tellurföreningar är särskilt känsliga för syre, forskarna här ville undersöka vad som händer när monolayer MoTe 2 utsätts för syre i flera dagar.
Forskarna började med att observera materialet under ett optiskt mikroskop med en infraröd lins. De upptäckte att MoTe 2 Flingor som var mycket självlysande till att börja med bibehöll sin ljusstyrka under den åtta dagar långa observationsperioden. Å andra sidan, svagt självlysande flingor verkade oväntat blekna inom 1-3 dagar, och delar av dem försvann helt.
Dock, när du tittar på de "försvinnande" flingorna med hjälp av ett atomkraftmikroskop (AFM), som skannar prover mekaniskt snarare än optiskt, forskarna såg flingorna "uppstå igen". Flingorna hade aldrig försvunnit i första hand, men deras optiska egenskaper hade förändrats medan deras kemiska struktur bibehölls.
Forskarna menar att anledningen till att de svagt självlysande flingorna verkar försvinna är att de har ett stort antal defekter, särskilt vakanser på grund av saknade atomer. Dessa lediga platser är anledningen till att flingorna har en låg startluminescens, och förklara också varför de tappar sin luminescens när de utsätts för syre. Syremolekyler (O 2 ) från luften blir inbäddade i dessa defekter och binder till Mo och Te, bildar "djupa tillstånd" som i princip fångar elektroner och hål, effektivt förbjuder luminescens. Å andra sidan, flingor som är mycket självlysande till att börja med har ett litet antal defekter, så de absorberar inte alls lika många syremolekyler, lider inte av förlust av luminescens, och deras optiska egenskaper förblir nära deras egenskaper under vakuumförhållanden.
"Detta arbete visar att en liten mängd defekter i MoTe 2 kan ha stor inverkan på deras materialegenskaper, såsom optisk, elektrisk, och vibrations, och dessa förändringar sker gradvis över tiden på samma sätt som vin som åldras:beroende på defektkoncentrationen, Smolk 2 monolager kan förstöras med tiden (eller kan bli bättre), " förklarade Tongay.
Resultaten här visar att defekterna spelar en betydande roll för de optiska egenskaperna och stabiliteten hos MoTe 2 , och kan också avslöja insikt i miljöstabiliteten hos andra 2D-material, såsom silicen (2D-kisel), fosforen (2D-fosfor), och andra TMD:er. Det kan också leda till sätt att kontrollera dessa material egenskaper.
(Vänster till höger) Postdoc Aslihan Suslu, Doktorand Bin Chen, och biträdande professor Sefaattin Tongay har undersökt materialstabiliteten och de optiska egenskaperna hos 2D transition metal dichalcogenides (TMDs), som har potentiella tillämpningar inom optoelektronik och andra områden. Kredit:Sefaattin Tongay
"Detta är en viktig upptäckt eftersom det praktiskt taget innebär att vi kan ställa in de optiska egenskaperna hos 2D MoTe 2 genom att manipulera defektdensiteten i materialet och förhindra att materialet förlorar sina inneboende egenskaper genom att förbättra kvaliteten på kristall, sa Bin Chen, Doktorand vid Arizona State University och huvudförfattare till uppsatsen.
I framtiden, forskarna planerar att utforska och fastställa stabiliteten hos andra 2D-materialsystem, samt öka deras egenskaper genom molekylär funktionalisering genom befintliga eller avsiktligt skapade defektpunkter.
"Trots uppmuntrande resultat och imponerande tillämpningar, våra resultat pekar mot miljöinstabilitet över en tidsperiod på en månad, ", sa Chen. "Vi hoppas kunna förstå detta och helst övervinna dessa utmaningar genom att använda vår kunskap och expertis inom materialvetenskap och ingenjörskonst."
© 2015 Phys.org
