En framväxande klass av atomtunna material som kallas enskikts halvledare har genererat mycket surr i materialvetenskapens värld. Monolager lovar i utvecklingen av transparenta LED-skärmar, ultrahögeffektiva solceller, fotodetektorer och nanoskala transistorer. Deras nackdel? Filmerna är notoriskt fulla av defekter, dödar deras prestationer.

Men nu ett forskarlag, ledd av ingenjörer vid University of California, Berkeley, och Lawrence Berkeley National Laboratory, har hittat ett enkelt sätt att fixa dessa defekter genom att använda en organisk supersyra. Den kemiska behandlingen ledde till en dramatisk 100-faldig ökning av materialets fotoluminescenskvantutbyte, ett förhållande som beskriver mängden ljus som genereras av materialet kontra mängden energi som läggs i. Ju större ljusutsläpp, ju högre kvantutbyte och desto bättre materialkvalitet.

Forskarna ökade kvantutbytet för molybdendisulfid, eller MoS2, från mindre än 1 procent upp till 100 procent genom att doppa materialet i en supersyra som kallas bistriflimid, eller TFSI.

Deras fynd, publiceras i 27 november -numret av Vetenskap , öppnar dörren till praktisk tillämpning av monolagermaterial, som MoS2, i optoelektroniska enheter och högpresterande transistorer. MoS2 är bara sju tiondelar av en nanometer tjock. För jämförelse, en sträng av mänskligt DNA är 2,5 nanometer i diameter.

"Traditionellt, ju tunnare material, ju känsligare den är för defekter, sa chefsutredaren Ali Javey, UC Berkeley professor i elektroteknik och datavetenskap och fakultetsvetare vid Berkeley Lab. "Denna studie presenterar den första demonstrationen av ett optoelektroniskt perfekt monolager, som tidigare varit ovanligt i ett så tunt material."

Forskarna tittade på supersyror eftersom, per definition, de är lösningar med en benägenhet att "ge" protoner, ofta i form av väteatomer, till andra ämnen. Denna kemiska reaktion, kallas protonation, har effekten att fylla i de saknade atomerna på platsen för defekter samt att ta bort oönskade föroreningar som fastnat på ytan, sa forskarna.

Co-lead författare till uppsatsen är UC Berkeley Ph.D. student Matin Amani, besöker doktorand student Der-Hsien Lien och postdoktor Daisuke Kiriya.

De noterade att forskare har strävat efter monolagerhalvledare på grund av deras låga absorption av ljus och deras förmåga att motstå vridningar, böjningar och andra extrema former av mekanisk deformation, som kan göra det möjligt att använda dem i transparenta eller flexibla enheter.

MoS2, specifikt, kännetecknas av molekylära lager som hålls samman av van der Waals krafter, en typ av atombindning mellan varje lager som är atomiskt skarp. En extra fördel med att ha ett material som är så tunt är att det är mycket elektriskt inställbart. För applikationer som LED-skärmar, denna funktion kan göra det möjligt att skapa enheter där en enda pixel kan avge ett brett spektrum av färger snarare än bara en genom att variera mängden spänning som appliceras.

Huvudförfattarna tillade att effektiviteten hos en LED är direkt relaterad till fotoluminescenskvantutbytet så, i princip, man skulle kunna utveckla högpresterande LED-skärmar som är transparenta när de stängs av och flexibla med de "perfekta" optoelektroniska monoskikten som produceras i denna studie.

Denna behandling har också revolutionerande potential för transistorer. När enheter i datorchips blir mindre och tunnare, defekter spelar en större roll för att begränsa deras prestanda.

"The defect-free monolayers developed here could solve this problem in addition to allowing for new types of low-energy switches, " said Javey.