En ny förståelse för varför syntetiska 2-D-material ofta utför storleksordningar sämre än förutspåtts nåddes av forskarteam under ledning av Penn State. De sökte efter sätt att förbättra materialets prestanda i framtida elektronik, fotonik, och minneslagringsapplikationer.

Tvådimensionella material är filmer som bara är en atom eller två tjocka. Forskare tillverkar 2-D-material med exfolieringsmetoden-avskalning av en skiva material från ett större bulkmaterial-eller genom att kondensera en gasprekursor på ett substrat. Den tidigare metoden ger material av högre kvalitet, men är inte användbart för att göra enheter. Den andra metoden är väl etablerad i industriella applikationer, men ger lågpresterande 2-D-filmer.

Forskarna visade, för första gången, varför kvaliteten på 2-D-material som odlas med den kemiska ångavsättningsmetoden har dålig prestanda jämfört med deras teoretiska förutsägelser. De rapporterar sina resultat i ett nyligen publicerat nummer av Vetenskapliga rapporter .

"Vi odlade molybden -disulfid, ett mycket lovande 2-D-material, på ett safirunderlag, "sa Kehao Zhang, doktorand för Joshua Robinson, docent i materialvetenskap och teknik, Penn State. "Själva safiren är aluminiumoxid. När aluminium är det översta lagret av substratet, den gillar att ge upp sina elektroner till filmen. Denna tunga negativa dopning - elektroner har negativ laddning - begränsar både intensiteten och bärarens livslängd för fotoluminescens, två viktiga egenskaper för alla optoelektroniska applikationer, såsom solceller och fotosensorer. "

När de väl bestämde att aluminium gav upp elektroner till filmen, de använde ett safirsubstrat som skärs på ett sådant sätt att det exponerar syret snarare än aluminiumet på ytan. Detta förbättrade fotoluminescensintensiteten och bärarens livslängd med 100 gånger.

I relaterat arbete, ett andra team av forskare under ledning av samma Penn State -grupp använde dopningsteknik som ersätter främmande atomer i filmens kristallgaller för att ändra eller förbättra materialets egenskaper. De rapporterade sitt arbete den här veckan Avancerade funktionella material .

"Folk har provat substitutionsdoping tidigare, men eftersom samspelet mellan safirsubstratet screenade effekterna av dopningen, de kunde inte avkänna effekten av dopningen, sa Zhang, som också var huvudförfattare på den andra uppsatsen.

Med hjälp av den syreterminerade substratytan från det första papperet, laget tog bort screeningseffekten från substratet och dopade molybden-disulfid 2-D-filmen med rheniumatomer.

"Vi dekonvolverade rheniumdopningseffekterna på materialet, "sa Zhang." Med detta substrat kan vi gå så högt som 1 atomprocent, den högsta dopningskoncentrationen som någonsin rapporterats. En oväntad fördel är att dopning av rhenium i gallret passiverar 25 procent av svaveltillfällena, och svaveltjänster är ett långvarigt problem med 2-D-material. "

Dopningen löser två problem:Det gör materialet mer ledande för applikationer som transistorer och sensorer, och samtidigt förbättrar materialets kvalitet genom att passivera de defekter som kallas svavelvakanser. Teamet förutspår att högre rheniumdopning helt kan eliminera effekterna av svaveltjänster.

"Målet med hela mitt arbete är att driva detta material till tekniskt relevanta nivåer, vilket innebär att det görs industriellt tillämpligt, "Sa Zhang.