Gränssnittet mellan 2D-perovskiter och TMD:er kan leda till nya egenskaper - bredbandsljusabsorption och emission, och förbättrad laddningsseparation över gränssnittet - som kan användas i framtida optoelektronik. Kredit:FLEET
Att montera legoliknande, 2D-heterostrukturer kan ge upphov till framväxande egenskaper och funktionaliteter som skiljer sig mycket från beståndsdelarnas inneboende egenskaper.
Density functional theory (DFT)-baserade bandstrukturberäkningar kan belysa gränssnittsegenskaper hos olika heterostrukturer.
Gränssnittsegenskaper för 2D perovskite/TMD-heterostrukturer
Heterostrukturer baserade på olika 2D-material har resulterat i "nya" egenskaper som kan skilja sig betydligt från de enskilda materialens. Sådana heterostrukturer kan göras genom att sätta ihop olika typer av atomärt tunna 2D-material.
En sådan familj av 2D-material, 2D-perovskiterna, visar intressanta fotofysiska egenskaper och bättre stabilitet jämfört med de typiska bulk-perovskiterna. Hittills har dock optoelektroniska enheters prestandamått för nära-infraröd (NIR)/synlig räckvidd för 2D-perovskiter varit ganska dålig på grund av vissa inneboende och materialspecifika begränsningar såsom stora bandgap, ovanligt höga excitonbindningsenergier och låg optisk absorption.
En ny studie ledd av forskare från Monash University tittar på en metod för att förbättra den optoelektroniska enhetens prestanda och utöka funktionaliteterna hos 2D-perovskiter genom att konjugera dem med optiskt aktiva övergångsmetalldikalkogenider (TMD). 2D-perovskiter och TMD:er är strukturellt olika, men de kan bilda rena gränssnitt på grund av van der Waals-interaktioner mellan de staplade lagren. Med hjälp av noggranna beräkningar av de första principerna visar författarna att det nya gränssnittet (bandinriktning) och transportegenskaper är genomförbara i 2D perovskite/TMD-heterostrukturer som kan ställas in i stor utsträckning baserat på lämpligt val av beståndsdelar.
Fotoresponsiviteten för BP-MoS2 heterostrukturen beror på ljusets infallande våglängd vid gränssnittet. Kredit:FLEET
För att förstå gränssnittsegenskaperna exakt skapade författarna gittermatchade strukturer för gränssnitten och utforskade deras egenskaper genom mycket minnesintensiva beräkningar med hjälp av superdatorfaciliteter.
I specifika system kan de förutspådda typ II-inriktningarna med NIR/synliga bandgap möjliggöra förbättrad optisk absorption vid jämförelsevis lägre energier. Stora bandförskjutningar och möjlighet till interlagerexcitoner med lägre dissociationsenergier kan också leda till enklare interlagerseparering av de exciterade laddningsbärarna över två material. Dessa gör det möjligt att uppnå högre fotoströmmar och förbättrad solcellseffektivitet. Forskarna förutspår också möjligheten av typ-I-system för rekombinationsbaserade enheter som lysdioder och typ III-system för att uppnå tunneltransport. Dessutom visar de också betydande töjningstolerans i sådana 2D perovskite/TMD-heterostrukturer, en förutsättning för flexibla sensorer.
"Sammantaget visar dessa fynd att ett beräkningsstyrt urval av heterostrukturer kan erbjuda bättre plattformar än inneboende material för specifika enhetstillämpningar och har potential i nästa generations multifunktionella enheter som flexibla fotosensorer eller lysdioder", säger FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar som ledde arbetet med Ph.D. student Abin Varghese och postdoktor Dr. Yuefeng Yin.
Justera polariteten för fotogenererade strömmar
Teamet utforskade fysiken för 2D-heterostrukturer ytterligare och samarbetade med experimentalister ledda av Prof. Saurabh Lodha från IIT Bombay, Indien för att förklara uppkomsten av ett ännu oupptäckt optoelektroniskt fenomen. I det första arbetet med WSe2 /SnSe2 heterostrukturer, vid belysning visade fotoströmmens polaritet ett beroende av typen av elektrisk transport (termionisk eller tunnling) över heterostrukturens gränssnitt.
Mekanismen för avgiftstransport över WSe2 /SnSe2 heterostrukturen kan styras antingen med hjälp av ljus eller genom att applicera ett elektriskt fält utanför planet, vilket kan leda till positiv eller negativ fotoresponsivitet (R). Kredit:FLEET
Forskarna vid Monash använde densitetsfunktionella teoribaserade elektriska fältberoende bandstrukturberäkningar och tillskrev denna observation till arten av bandinriktning vid gränssnittet. Tillsammans visade de att en förändring i bandinriktningen från typ II till typ III resulterade i en förändring i polariteten för fotoström från positiv till negativ.
När det gäller prestanda hos fotodetektorer är responsiviteten och svarstiden avgörande mått. I denna studie observerades en hög negativ responsivitet och snabb svarstid experimentellt i enhetsprototyperna, vilket är uppmuntrande för vidareutveckling av 2D-materialbaserade enheter för praktiska tillämpningar.
I en annan heterostruktur som omfattar svart fosfor och MoS2 illustrerade experimenten ett belysningsvåglängdsberoende på fotokonduktionens polaritet. Den negativa fotokonduktansen ses vid specifika våglängder ovanför absorptionskanten av MoS2 kan kontrolleras och reversibelt ställas in till positiv fotokonduktans vid lägre våglängder. Tröskelvåglängden för korsning mellan negativ och positiv fotokonduktans hade ett avgörande beroende av flingtjockleken. Tjockleksberoende bandstrukturberäkningar utförda av forskare från Monash visade tydligt möjligheten av en ökning av rekombination av laddningsbärare för specifika tjocklekar, vilket kan leda till negativ fotokonduktans, vilket underlättar slutsatserna.
Dessa studier visar nya metoder för att kontrollera avkänningsmekanismen i fotodetektorer som ännu inte har studerats i sådana detaljer. + Utforska vidare
