Forskare vid US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har använt en unik nano-optisk sond för att studera effekterna av belysning på tvådimensionella halvledare på molekylär nivå. Jobbar på Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility, det vetenskapliga teamet använde "Campanile" -sonden som de utvecklade för att göra några överraskande upptäckter om molybdendisulfid, medlem i en familj av halvledare, kallas "övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), vars optoelektroniska egenskaper har ett stort löfte för framtida nanoelektroniska och fotoniska enheter.

"Campanile -sondens anmärkningsvärda upplösning gjorde det möjligt för oss att identifiera signifikant opto -elektronisk heterogenitet i nanoskala i de inre regionerna av monoskiktskristaller av molybdendisulfid, och en oväntad, cirka 300 nanometer bred, energiskt störd kantregion, "säger James Schuck, en personalvetare med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. Schuck ledde denna studie såväl som laget som skapade Campanile -sonden, som vann ett prestigefyllt R&D 100 Award 2013 för att kombinera fördelarna med scan/probe -mikroskopi och optisk spektroskopi.

"Denna oregelbundna kantregion, som aldrig har setts förut, kan vara extremt viktigt för alla enheter där man vill skapa elektriska kontakter, "Säger Schuck." Det kan också visa sig vara avgörande för fotokatalytiska och olinjära optiska konverteringsapplikationer. "

Schuck, som leder Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility på Molecular Foundry, är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning i Naturkommunikation . Papperet har rubriken "Visualisering av nanoskala excitoniska avslappningsegenskaper hos störda kanter och korngränser i monoskikts molybdendisulfid." Medförfattarna är Wei Bao och Nicholas Borys. (Se nedan för en komplett lista över författare.)

2D-TMDCs konkurrerar med grafen som potentiella efterföljare till kisel för nästa generation av höghastighetselektronik. Endast en enda molekyl i tjocklek, 2D-TMDC-material har överlägsen energieffektivitet och förmåga att bära mycket högre strömtätheter än kisel. Dock, sedan deras experimentella "upptäckt" 2010, prestanda för 2D-TMDC-material har hamnat långt efter teoretiska förväntningar, främst på grund av bristande förståelse för 2D-TMDC-egenskaper på nanoskala, särskilt deras excitoniska egenskaper. Excitons är bundna par av upphetsade elektroner och hål som gör det möjligt för halvledare att fungera i enheter.

"Den dåliga förståelsen för 2D-TMDC-excitoniska och andra egenskaper på nanoskala är till stor del förankrad i de befintliga begränsningarna för nanospektroskopisk avbildning, "Säger Schuck." Med vår Campanile -sond, vi övervinner nästan alla tidigare begränsningar av nära-fältmikroskopi och kan kartlägga kritiska kemiska och optiska egenskaper och processer på deras ursprungliga längdskala. "

Campanile -sonden, som drar sitt namn från landmärket "Campanile" klocktorn på campus vid University of California i Berkeley, har en avsmalnande, fyrsidig mikroskopisk spets som är monterad på änden av en optisk fiber. Två av Campaniles sidor är belagda med guld och de två guldskikten separeras med bara några nanometer vid spetsen. Den avsmalnande designen gör att Campanile -sonden kan kanalisera ljus av alla våglängder ner i ett förstärkt fält vid spetsens spets. Storleken på gapet mellan guldskikten bestämmer upplösningen, som kan ligga under den optiska gränsen för diffraktion.

I deras nya studie, Schuck, Bao, Borys och deras medförfattare använde Campanile-sonden för att spektroskopiskt kartlägga nanoskala exciterade tillstånd/avslappningsprocesser i monoskiktskristaller av molybdendisulfid som odlades genom kemisk ångavsättning (CVD). Molybdendisulfid är en 2D halvledare som har hög elektrisk konduktans jämförbar med grafen, men, till skillnad från grafen, har naturliga energibandgap, vilket innebär att dess konduktans kan stängas av.

"Vår studie avslöjade signifikant opto-elektronisk heterogenitet i nanoskala och tillät oss att kvantifiera exciton-släckande fenomen vid kristallkornets gränser, "Schuck sa." Upptäckten av det oregelbundna kantområdet utgör ett paradigmskifte från tanken att endast ett 1D metalliskt kanttillstånd är ansvarigt för all kantrelaterad fysik och fotokemi som observeras i 2D-TMDC. Det som händer i kanterna på 2D-TMDC-kristaller är klart mer komplicerat än så. Det finns en mesoskopisk störd region som sannolikt dominerar de flesta transporter, olinjär optisk, och fotokatalytiskt beteende nära kanterna på CVD-odlade 2D-TMDC. "

I den här studien, Schuck och hans kollegor upptäckte också att den störda kantregionen i molybden-disulfidkristaller har en svavelbrist som har konsekvenser för framtida optoelektroniska tillämpningar av denna 2D-TMDC.

"Mindre svavel innebär att fler fria elektroner är närvarande i det kantområdet, vilket kan leda till förbättrad icke-strålande rekombination, "Schuck säger." Förbättrad icke-strålande rekombination innebär att excitoner skapade nära ett svaveltomt skulle leva under en mycket kortare tid. "

Schuck och hans kollegor planerar att nästa studera de excitoniska och elektroniska egenskaper som kan uppstå, liksom skapandet av p-n-korsningar och kvantbrunnar, när två olika typer av TMDC är anslutna

"Vi kombinerar också 2D-TMDC-material med så kallade metaytor för att styra och manipulera daltillstånden och cirkulära emitter som finns inom dessa system, samt att utforska lokaliserade kvanttillstånd som kan fungera som nästan ideala enfotonemitterare och kvantinviklade Qubit-tillstånd, "Säger Schuck.