Den definierande egenskapen hos en halvledare är dess så kallade bandgap:barriären som hindrar elektroner inom ett specifikt energiområde från att strömma genom ett material. Saudiarabiens kung Abdullah University of Science and Technology (KAUST) professor i materialvetenskap och teknik Lance Li och hans team samarbetade med kollegor från Taiwan och använde en enkel modell för att bestämma bandinriktningen i en spännande ny klass av halvledare som kallas tvådimensionell övergång -metalldikalkogenider (TMD).

Det enkla konceptet med bandgap möjliggör ett enda halvledande material, som kisel, att utföra de operationer som krävs av elektroniska enheter; dock, när två eller flera halvledare kombineras, enheten erbjuder ett bredare utbud av funktionalitet och har förbättrad prestanda och effektivitet. För att förstå hur sådana heterostrukturer beter sig, det är avgörande att veta hur bandgaporna mellan de två materialen passar ihop.

Även om grafen och TMD är alla atomärt tunna, avsaknaden av ett bandgap i grafen begränsar dess tillämpning till elektronik medan närvaron av ett bandgap i TMD:er tillåter dem att staplas i heterostrukturer. Det är, dock, svårt att experimentellt bestämma bandanpassningen mellan dessa lager eftersom resultaten beror på kvaliteten på ömtåliga TMD:er. Li och hans team har nu bevisat att konceptet som kallas Anderson-modellen, en enkel, beräkningsmässigt billigt sätt att bestämma bandinriktning, är tillämplig på detta system.

Anderson-modellen antar att när två halvledare placeras tillsammans, de delar en gemensam nolla i sin energibandstruktur som kallas vakuumnivån. Bandgap-inriktning kan sedan bestämmas direkt från beräknade värden för bandgap och offset. Tills nu, det var oklart om detta antagande skulle stämma i atomlager TMD.

Li och hans team tog upp detta genom att mäta energin i bandgapet i tre TMD:er, molybdendisulfid, volframdisulfid och volframdiselenid, med hjälp av en metod som kallas ultraviolett fotoelektronspektroskopi. De använde sedan Anderson-modellen för att förutsäga bandinriktningen. De jämförde dessa beräknade värden med direkta experimentella mätningar från röntgenfotoelektronspektroskopi av molybden-disulfid-volfram-disulfid och molybden-disulfid-volfram-diselenid heterostrukturer.

Överensstämmelse mellan de värden som erhölls med de två metoderna visade att Anderson-modellen stämmer. Teamet antyder att detta beror på unika van der Waals-ytor, som säkerställer en frånvaro av hängande atombindningar som annars skulle förhindra att vakuumnivåerna i de två materialen hamnar i linje.

"Vårt nästa steg är att bygga heterojunctions baserat på kunskapen från teorin, " säger Li. "Vi kommer att undersöka flera heterostrukturer för olika applikationer, såsom solceller och lysdioder."