Tvådimensionella material är en slags nybörjare i det vetenskapliga samfundet. De är atomtunna och kan uppvisa radikalt olika elektroniska och ljusbaserade egenskaper än deras tjockare, mer konventionella former, så forskare flockas till detta nya fält för att hitta sätt att utnyttja dessa exotiska drag.

Ansökningar om 2-D-material sträcker sig från mikrochipkomponenter till super tunna och flexibla solpaneler och skärmar, bland en växande lista över möjliga användningsområden. Men eftersom deras grundläggande struktur i sig är liten, de kan vara knepiga att tillverka och mäta, och att matcha med andra material. Så medan FoU i 2-D-material ökar, det finns fortfarande många okända om hur man isolerar, förbättra, och manipulera sina mest önskvärda egenskaper.

Nu, ett vetenskapsteam vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har exakt mätt några tidigare dolda egenskaper hos molysulfid, ett 2-D halvledande material även känt som molybden-disulfid eller MoS2. Teamet avslöjade också en kraftfull inställningsmekanism och ett samband mellan dess elektroniska och optiska, eller ljusrelaterade, egenskaper.

För att på bästa sätt införliva sådant enskiktsmaterial i elektroniska enheter, ingenjörer vill veta "bandgapet, "vilket är den minsta energinivå som krävs för att stöta elektroner från de atomer de är kopplade till, så att de flödar fritt genom materialet när elektrisk ström flödar genom en koppartråd. Tillför tillräckligt med energi till elektronerna genom att absorbera ljus, till exempel, omvandlar materialet till ett elektriskt ledande tillstånd.

Som rapporterades i 25 augusti -numret av Fysiska granskningsbrev , forskare mätte bandgapet för ett monoskikt av molysulfid, som har visat sig svårt att exakt förutse teoretiskt, och fann att den var cirka 30 procent högre än förväntat baserat på tidigare experiment. De kvantifierade också hur bandgapet förändras med elektrontäthet - ett fenomen som kallas "bandgormrenormalisering".

"Den mest kritiska betydelsen av detta arbete var att hitta bandgapet, "sa Kaiyuan Yao, doktorandforskare vid Berkeley Lab och University of California, Berkeley, som fungerade som huvudförfattare till forskningspapperet.

"Det ger mycket viktig vägledning till alla ingenjörer i optoelektroniska enheter. De måste veta vad bandgapet är" för att korrekt ansluta 2-D-materialet till andra material och komponenter i en enhet, Sa Yao.

Att erhålla den direkta bandgapsmätningen utmanas av den så kallade "excitoneffekten" i 2-D-material som produceras genom en stark parning mellan elektroner och elektron "hål" ¬- lediga positioner runt en atom där en elektron kan existera. Styrkan hos denna effekt kan dölja mätningar av bandgapet.

Nicholas Borys, en projektforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry som också deltog i studien, sa att studien också löser hur man ställer in optiska och elektroniska egenskaper i ett 2-D-material.

"Den verkliga kraften i vår teknik, och en viktig milstolpe för fysikgemenskapen, är att urskilja mellan dessa optiska och elektroniska egenskaper, "Sa Borys.

Teamet använde flera verktyg på Molecular Foundry, en anläggning som är öppen för det vetenskapliga samfundet och specialiserat sig på skapande och utforskning av nanoskala material.

Molekylär gjuteritekniken som forskare anpassade för användning vid studier av monoskikts molysulfid, känd som fotoluminescens excitation (PLE) spektroskopi, lovar att ta med nya applikationer för materialet inom räckhåll, såsom ultrakänsliga biosensorer och tunnare transistorer, och visar också löfte för att precisera och manipulera egenskaper i andra 2-D-material, sa forskare.

Forskargruppen mätte både exciton- och bandgapsignaler, och sedan lossnade dessa separata signaler. Forskare observerade hur ljus absorberades av elektroner i molysulfidprovet när de justerade densiteten hos elektroner som pressades in i provet genom att ändra den elektriska spänningen på ett lager av laddat kisel som satt under molysulfidmonoskiktet.

Forskare märkte en liten "bump" i sina mätningar som de insåg var en direkt mätning av bandgapet, och genom en massa andra experiment använde de sin upptäckt för att studera hur bandgapet enkelt kunde justeras genom att helt enkelt justera elektronernas densitet i materialet.

"Den stora graden av justerbarhet öppnar verkligen människors ögon, "sade P. James Schuck, som var chef för Imaging and Manipulation of Nanostructures -anläggningen vid Molecular Foundry under denna studie.

"Och eftersom vi kunde se både bandgapets kant och excitonerna samtidigt, vi kunde förstå var och en oberoende och också förstå förhållandet mellan dem, "sa Schuck, nu vid Columbia University. "Det visar sig att alla dessa egenskaper är beroende av varandra."

Molysulfid, Schuck noterade också, är "extremt känslig för sin lokala miljö, "vilket gör den till en utmärkt kandidat för användning i en rad sensorer. Eftersom den är mycket känslig för både optiska och elektroniska effekter, det kan översätta inkommande ljus till elektroniska signaler och vice versa.

Schuck sa att laget hoppas kunna använda en uppsättning tekniker vid Molecular Foundry för att skapa andra typer av monoskiktsmaterial och prover av staplade 2-D-lager, och för att få slutgiltiga bandgapmätningar för dessa, för. "Det visar sig att ingen ännu känner till bandgapet för några av dessa andra material, " han sa.

Teamet har också expertis i användningen av en nanoskala -sond för att kartlägga det elektroniska beteendet över ett givet prov.

Borys tillade, "Vi hoppas verkligen att detta arbete fröar till ytterligare studier om andra 2-D-halvledarsystem."

Molecular Foundry är ett DOE Office of Science User Facility som ger gästande forskare fri tillgång till toppmodern utrustning och tvärvetenskaplig expertis inom nanoskala.

Forskare från Kavli Energy NanoSciences Institute vid UC Berkeley och Berkeley Lab, och från Arizona State University deltog också i denna studie, som stöddes av National Science Foundation.