För att justera bandgapet, en nyckelparameter för att kontrollera den elektriska ledningsförmågan och optiska egenskaperna hos halvledare, forskare tillverkar vanligtvis legeringar, en process där två eller flera material kombineras för att uppnå egenskaper som annars inte skulle kunna uppnås av ett orördt material.

Men tekniska bandluckor för konventionella halvledare via legering har ofta varit ett gissningsspel, eftersom forskare inte har haft en teknik för att direkt "se" om legeringens atomer är ordnade i ett specifikt mönster, eller slumpmässigt spridda.

Nu, som rapporterats i Fysiska granskningsbrev , ett forskarlag ledd av Alex Zettl och Marvin Cohen – seniora fakultetsforskare vid Materials Sciences Division vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), och professorer i fysik vid UC Berkeley – har visat en ny teknik som kan konstruera bandgapet som behövs för att förbättra prestandan hos halvledare för nästa generations elektronik såsom optoelektronik, termoelektriska, och sensorer.

För den aktuella studien, forskarna undersökte enskikts- och flerskiktsprover av ett 2-D övergångsmetalldikalkogenidmaterial (TMD) tillverkat av legeringen rheniumniobiumdisulfid.

Elektronmikroskopiexperiment avslöjade slingrande ränder bildade av metallatomer av rhenium och niob i gitterstrukturen hos 2-D TMD-legeringen.

En statistisk analys bekräftade vad forskargruppen hade misstänkt - att metallatomer i 2-D TMD-legeringen föredrar att ligga intill de andra metallatomerna, "vilket står i skarp kontrast till den slumpmässiga strukturen hos andra TMD-legeringar av samma klass, " sa huvudförfattaren Amin Azizi, en postdoktor vid Zettl-labbet vid UC Berkeley.

Beräkningar utförda vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) av Mehmet Dogan, en postdoktor i Cohen-labbet vid UC Berkeley, visat att sådan atomordning kan modifiera materialets bandgap.

Optiska spektroskopimätningar utförda vid Berkeley Labs Advanced Light Source visade att bandgapet i 2-D TMD-legeringen kan justeras ytterligare genom att justera antalet lager i materialet. Också, bandgapet i enskiktslegeringen liknar det för kisel - vilket är "precis rätt" för många elektroniska och optiska tillämpningar, sa Azizi. Och 2-D TMD-legeringen har de extra fördelarna att den är flexibel och transparent.

Forskarna planerar nästa att utforska avkännings- och optoelektroniska egenskaperna hos nya enheter baserade på 2-D TMD-legeringen.