Forskare gjorde en upptäckt som är relevant för de elektroniska och optiska egenskaperna hos tunna material. Linjer av saknade atomer som korsar ytan som vener fungerar som "trådar" för att kanalisera elektroner och ljuspaket som kallas fotoner, förbättra materialets förmåga att leda elektricitet och omvandla ljus. Defekterna finns mellan parallella linjer i mikroskopibilden (vänster). Zoomning in (höger bild) visar två parallella linjer med hög laddningstäthet på vardera sidan av den linjära defekten som producerar tråden. Den teoretiska atomstrukturen (höger, längst ner) visar den saknade linjen av selenatomer i guld. Kredit:US Department of Energy
Kan att lägga till defekter göra ett bra material ännu bättre? Forskare har funnit att linjära defekter i en lovande tunn film skapar en atomtjocka metalltrådar. Dessa trådar korsar det annars intakta materialet, erbjuder ett sätt att kanalisera elektroner och fotoner, små paket med ljus. Ett tvärvetenskapligt team gjorde denna upptäckt med hjälp av resurser vid Molecular Foundry och Advanced Light Source.
Teamet arbetade med övergångsmetalldikalkogenider (TMD) eftersom materialen har exceptionella optiska egenskaper. Denna forskning fann att ett enda TMD-lager kunde avge lika mycket ljus som ett motsvarande material som är 10, 000 gånger tjockare, banar väg mot mindre, mer effektiva enheter. Ytterligare, teamet fann att tekniska defekter (avsiktligt införa saknade eller förskjutna atomer) i TMDs kunde ändra deras inneboende egenskaper. Dessa modifieringar kan förbättra materialet eller leda till helt nya användbara egenskaper för framtida energiomvandling, kvantberäknings- och kommunikationssystem.
I halvledarnas värld, orenheter och defekter kan vara bra. De ändrar egenskaperna hos material som kisel, och forskare kan utnyttja dessa egenskaper för att utveckla bättre transistorer för bärbara datorer, smarta telefoner, och solceller. Nyligen, forskare upptäckte en ny klass av halvledare som bara är tre atomer tjock och sträcker sig i ett tvådimensionellt plan, liknande grafen. Dessa tvådimensionella halvledare, kallade övergångsmetalldikalkogenider (TMDs), har exceptionella optiska egenskaper. De kan utvecklas till ultrakänsliga fotodetektorer, och ett enda TMD-lager avger lika mycket ljus som en tredimensionell TMD-kristall bestående av 10, 000 lager.
Under de senaste åren, forskare har undrat om föroreningar och defekter också kan modifiera TMDs inneboende egenskaper, kanske på sätt som förbättrar halvledaren eller leder till nya funktioner. Forskare vid Molecular Foundry, i samarbete med forskare vid Advanced Light Source, har tagit ett stort steg mot att svara på denna fråga. De upptäckte – till sin förvåning – hur betydande linjära defekter i TMD skapar helt nya egenskaper. Vissa av dessa egenskaper indikerar att defekter i TMD till och med kan förmedla supraledande tillstånd.
Teamet syntetiserade tre atomer tjocka, rena lager av molybdendiselenid, vilket är en typ av TMD. De studerade sedan materialet med ett mikroskop som kan visualisera atomer och deras elektroniska vågfunktioner. De upptäckte en linjär defekt bildad av en rad saknade selenatomer. Denna defekt skapar en atoms tjocka metalltrådar för att transportera elektroner eller fotoner över de annars intakta halvledarliknande venerna.
