För att skydda monolager halvledarövergångsmetalldikalkogenider (S-TMD) från oxidation, de måste vara helt avskärmade från ljus, med även kort exponering som orsakar oxidation som är tillräckligt allvarlig för att skada elektriska kontakter och helt förstöra optiska egenskaper.

En ny, Monash University-ledda samarbete har visat att oxidationen av monolager av volframdisulfid (WS2) i omgivningsförhållanden beror på absorptionen av synliga våglängder av ljus.

Det nya verket, i samarbete med forskare från USA. Naval Research Laboratory och University of Autonomous University of Madrid, informerar forskare som arbetar inom området om den hittills ouppskattade fotokänsliga naturen hos dessa material, och ännu viktigare, fungerar som en vägledning för att helt undvika oxidation i prover som exponeras för omgivningsförhållanden.

"Detta arbete bör vägleda forskare i bästa praxis för tillverkning av S-TMD-enheter, säger huvudförfattaren, Mr Jimmy Kotsakidis.

Även om det redan är känt att oxidation av dikalkogenider (S-TMDs) av enskiktshalvledarövergångsmetaller i omgivningsförhållanden inträffar, mekanismen bakom har inte varit tydlig.

Den nya studien visar för första gången att oxidationen av S-TMD WS2 under omgivningsförhållanden kräver ljus med lämplig våglängd:Oxidation orsakas av ljus som är tillräckligt energiskt för att orsaka elektroniska övergångar i WS2 – det vill säga, den observerade oxidationen under omgivande förhållanden är fotoinducerad. Forskarna postulerar att detta sker via två rimliga mekanismer, Förster resonansenergiöverföring (FRET) och fotokatalys. På grund av den liknande kemin hos S-TMD, man tror att samma effekt bör kunna observeras i MoS2 och andra S-TMDs i samma materialfamilj.

Ljusvåglängder vid 660 nm eller lägre (dvs. synliga våglängder) visade sig signifikant oxidera WS2. I kontrast, prover oxiderade inte om de exponerades för 760 nm ljus (med för lite fotonenergi för att excitera elektroniska övergångar i WS2), eller förvarades i mörker (10 månader), eller i en ljust upplyst kväveatmosfär (7 dagar).

"Denna viktiga effekt [fotooxidation] har förbisetts i S-TMDs sedan oxidationsstudier började omkring 1955. Således, vi tror att dessa nya rön kommer att få betydande konsekvenser för tidigare, närvarande, och framtida studier om S-TMD uppmätta, lagrat, eller manipuleras i omgivningsförhållanden, " säger Mr Kotsakidis.

Atomtunna dikalkogenider av övergångsmetall som WS2, har väckt stort intresse under det senaste decenniet på grund av deras extraordinära optiska och elektriska egenskaper och därmed möjlig användning i framtida elektroniska och optoelektroniska enheter.

Detta nya arbete informerar forskare som arbetar inom området om den hittills ouppskattade fotokänsliga naturen hos dessa material, och ännu viktigare, fungerar som en vägledning för att helt undvika oxidation i prover som exponeras för omgivningsförhållanden. Medan tidigare studier har funnit att monolager S-TMD kan ta veckor att synbart oxidera, detta arbete visar att detta kan hända på så lite som 7 dagar även under extremt svaga ljusförhållanden.

"Förstå S-TMDs stabilitet i omgivningsförhållanden och under ljusbelysning, avgörande för mätningar och manipulationer som utförs under dessa förhållanden, är avgörande för deras utveckling till potentiella tillämpningar, " säger medförfattaren Prof Michael Fuhrer.

Forskarna studerade monolager av den halvledande övergångsmetallen dikalkogenid (S-TMD) WS2 odlad genom kemisk ångdeposition (CVD). Proverna exponerades för kontrollerade mängder ljus, och sedan karakteriseras med hjälp av optisk mikroskopi, laserskanning konfokalmikroskopi (LSCM), fotoluminescens (PL) spektroskopi, och atomkraftsmikroskopi (AFM).

Forskarna fann att monolager WS2 exponerat för omgivningsförhållanden i närvaro av omgivande ljus uppvisade skador på grund av oxidation som kunde detekteras med LSCM och AFM, men var inte uppenbart i konventionell optisk mikroskopi på grund av sämre kontrast och upplösning.

Studien observerade att denna oxidation inte var slumpmässig och var korrelerad med hög symmetri, högintensiva kanter och rödförskjutna områden i PL-spektroskopikartan – områden som tros innehålla en högre koncentration av svavelvakanser.

I kontrast, prover som hölls i mörker visade inga tecken på oxidation i upp till 10 månader.

Forskarna utförde sedan kontrollerade exponeringar för ljus med mycket låg bestrålning vid olika våglängder under långa tidsperioder. Den låga intensiteten försäkrade att eventuella skador inte berodde på uppvärmning från ljuset. De fann att prover exponerade för ljus med tillräckligt med fotonenergi för att excitera WS2 visade oxidation, medan fotonenergier under denna tröskel inte oxiderade WS2. Detta starka våglängdsberoende och uppenbara avsaknad av irradiansberoende tyder på att omgivande oxidation av WS2 initieras av fotonmedierade elektroniska bandövergångar, det är, fotooxidation.