Illustration som visar halvledarens pseudo-1D molekylära struktur och ovanliga optiska egenskaper, inklusive ljusa sub-band emission. Kredit:Sefaattin Tongay, Arizona State University
(Phys.org)—För första gången, forskare har syntetiserat halvledande galliumtellurid (GaTe) i den monokliniska fasen som ett pseudo-endimensionellt (pseudo-1D) material. Denna nya klass av material kännetecknas av kvasi-1D-kedjor av atomer som löper i en viss riktning längs en 2D-yta.
Forskarna, ledd av Sefaattin Tongay, Biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Arizona State University, har publicerat en artikel om den första syntesen av pseudo-1D GaTe-materialet i en ny utgåva av Avancerade material .
"Detta är den första demonstrationen av syntesen av anisotropa GaTe nanomaterial, " berättade Tongay Phys.org . "Utöver dessa nya syntesansträngningar, vi har också gett den första atomära insikten om hur atomer i två dimensioner ordnar sig i pseudo-1D-kedjor inom planet, och undersökte deras anisotropa optiska egenskaper. "
Än så länge, forskning på detta område har varit begränsad, med endast ett fåtal studier som har undersökt GaTe genom att isolera 2D-monoskikt från bulkkristaller. Det nuvarande arbetet erbjuder nya vägar till storskalig syntes och tips om spännande nya fenomen.
Syntetisering av GaTe i pseudo-1D-formen har varit utmanande på grund av materialets stora kristallina anisotropi. Här, forskarna använde en fysisk ångtransportteknik där höga temperaturer och låga tryck i en rörugn förvandlar halvledarpulvret till dess pseudo-1D-form.
En särskilt intressant egenskap som härrör från den unika kristallstrukturen hos den nya formen av GaTe är att atomkedjorna delar upp varje enskild GaTe-flinga i en flugaform bestående av fyra separata domäner med olika kristallorientering.
I var och en av dessa olika domäner, materialet har en annan kedjeorientering, vilket resulterar i olika anisotropa beteenden. Till exempel, experiment visade att den maximala ljusemissionsintensiteten varierar beroende på domänen, erbjuder en väg mot att utveckla fotonikapplikationer.
Forskarna visade den skalbara tillväxten av pseudo-1D GaTe på tre olika industriellt kompatibla substrat, och fann att morfologin hos GaTe nanostrukturerna starkt beror på substratet.
Optisk bild av GaTe syntetiserad på ett safirsubstrat, visar flugaformen. Kredit:Cai et al. ©2016 Avancerat material
Till exempel, de fann att GaTe-kedjor växer mycket mer slumpmässigt på safir än på kisel och galliumarsenid, med resultatet att GaTe-atomer som ligger på safirytan kan röra sig mycket friare.
GaTe nanostrukturerna på safir har också vissa defekter som orsakar en mycket effektiv, smal optisk emissionstopp under bandkantemissionen, vilket är till skillnad från de breda defektemissioner som normalt finns i halvledare.
Resultatet att pseudo-1D GaTe är den enda kända formen av GaTe som avger ljus luminescens under det optiska bandgapet kan erbjuda en startpunkt för defektteknik för optoelektroniktillämpningar.
"Jag tror att den största betydelsen ligger i upptäckten av flerfärgsutsläppet, speciellt den skarpa subbandemissionen som inte alls ser ut som en defekt emission, " sa medförfattaren Hui Cai, doktorand vid Arizona State University. "Dessa utsläpp kan komma från mellanliggande band, som har fått stor uppmärksamhet i ZnTeO och CuGaS 2 men aldrig i GaTe. Detta kan vara det första experimentella fingeravtrycket som mellanliggande band också finns i GaTe med vissa typer av defekter."
Forskarna förväntar sig att med tanke på dess unika optiska egenskaper, pseudo-1D GaTe kan ha en mängd olika framtida tillämpningar.
"På grund av existensen av optiskt aktiva tillstånd under gapet, den syntetiserade GaTe kan vara en potentiell kandidat för solceller med mellanliggande band, " Sai Cai. "Den kan fånga fotoner i det nära-infraröda området, vars energi är lägre än dess bandgap. Vid sidan av detta, den absorberar ljus polariserat längs dess kedjas riktning och är transparent för ljus polariserat vinkelrätt mot den riktningen. Således har den potentiella tillämpningar i linjära polarisatorer och polariserade fotodetektorer."
Det nya materialet har även potentiella tillämpningar för den polariserade lätta industrin.
"Dessa material erbjuder unika egenskaper som överbryggar många typer av endimensionella material, som kolnanorör, nanotrådar, etc., och konventionella 2D-material som grafen, MoS 2 , och GaSe, "Tongay sa. "På grund av deras stora kristallina anisotropi och anisotropa fysikaliska egenskaper, de kan eventuellt erbjuda polarisationskänsliga optiska egenskaper, dikroism, starkt ledande elektroniska bärare, och hög värmeledning längs deras anisotropiriktning. Vi förutser att polarisationskänsliga fotoniska applikationer, enstaka fotonutsändare, och transistorer med hög elektronrörlighet kommer sannolikt att uppstå från dessa material."
© 2016 Phys.org
