En ny generation av elektronik och optoelektronik kan snart vara möjlig genom att kontrollera vridningsvinklarna i en viss typ av tvålagers 2D-material som används i dessa enheter, vilket stärker den inneboende elektriska laddningen som finns mellan de två lagren, enligt forskare från Penn State, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology och Rutgers University.

Forskarna arbetade med regelbundna övergångsmetalldikalkogenider (TMD) 2D-material och Janus TMDs, en klass av 2D-material uppkallad efter den romerska dualitetsguden Janus. Dessa tvålagers 2D-material har en växelverkan mellan skikten känd som en van der Waals mellanskiktskoppling som leder till en laddningsöverföring, en process som är viktig för elektroniska enheters funktionalitet. Laddningsöverföringen för båda sidor av konventionella TMD:er är densamma på grund av att varje sida har samma typ av atomer. I fallet med Janus TMD-material är atomerna på varje sida av materialet olika typer, vilket leder till varierad laddningsöverföring när varje sida är i kontakt med andra 2D-material.

"I vår studie var de två typerna av atomer på vardera sidan av Janus TMD-materialet svavel och selen", säger Shengxi Huang, biträdande professor i elektroteknik och biomedicinsk teknik vid Penn State och medförfattare till studien som nyligen publicerades i ACS Nano . "Eftersom de är olika kan det finnas en laddningsseparation eller laddningsobalans för över- och undersidan. Det skapar ett vertikalt riktat inre elektriskt fält som skiljer sig mycket från konventionella 2D-material."

I tidigare forskning arbetade Huang och de andra forskarna för att förstå om detta inneboende elektriska fält skulle påverka intilliggande 2D-material när de skiktas. De fann att kopplingen är starkare i Janus 2D-material än traditionella 2D-material, på grund av den asymmetriska laddningen som orsakas av de olika typerna av atomer på varje sida.

För det aktuella arbetet staplade man manuellt två typer av materiallager, Janus TMD och vanliga 2D-material, vilket orsakade slumpmässiga vinklar beroende på hur de staplades. Men när de justerade vinklarna för hur varje lager staplades i specifika grader, gjorde de ett intressant fynd. Om de triangelformade materialen vrids för att staplas i en noll graders vinkel, när de är perfekt inriktade, eller i en 60-graders vinkel, när de är raka motsatsen till perfekt inriktning, fann de att kopplingarna var mycket starkare än i slumpmässiga vinklar. Dessutom fann de också att mellanskiktskopplingen är starkare när Janus TMD är skiktad på den konventionella TMD med samma typ av element.

"Huvudfyndet var att för samma svavel/svavelgränssnitt är mellanskiktskopplingen mycket starkare än svavel/selengränssnittet," sa Huang. "Och detta beror på laddningsfördelningen relaterad till dipolriktningen i dessa atomer. Detta betyder att det kan finnas en effektiv laddningsöverföring mellan de två skikten. Baserat på vår beräkning är separationen, vilket betyder avståndet mellan mellanskikten, mycket mindre , så det visar att det finns en starkare koppling."

För att upptäcka detta använde Huang och teamet lågfrekvent Raman-spektroskopi. De lyste ljus på de två lagren av 2D-material, vilket fick materialens atomer att vibrera. Om vibrationen är snabbare och med högre frekvens indikerar det att mellanskiktskopplingen är stark.

"Du kan föreställa dig det här med en fjäder som förbinder två bollar," sa Huang. "Om fjädern vibrerar riktigt snabbt betyder det att den här fjädern är stark."

Den andra metoden som laget använde under sin forskning var fotoluminescensspektroskopi. När två lager av 2D-material utbyter laddningar mellan varandra kommer ljusemissionsintensiteten i ett av materialen att sjunka. Detta beror på att det finns några laddningar som överförs till det andra lagret, och det finns inte tillräckligt med laddning för att fotoluminescensen ska ske i det "sändande" lagret.

"Vi använde detta som ett mått på graden av laddningsöverföring mellan de två lagren", säger Kunyan Zhang, doktorand i elektroteknik vid Penn State och medförfattare i studien. "De här resultaten vi fick från ljusemissionen överensstämmer med vår lågfrekventa Raman-spektroskopi. Där vi ser en starkare koppling från atomvibrationen ser vi också en större minskning av ljusemissionen."

Dessa fynd är viktiga för utvecklingen av elektronik och optoelektronik. Att styra mellanskiktskopplingen och inducera olika optiska och/eller elektroniska beteenden har stor betydelse för prestandan hos många optoelektroniska och elektroniska anordningar.

"Dessa nya materialförmågor kan påverka många applikationer, allt från optoelektronik till elektroniska enheter till katalytiska förmågor i elektrokemiska enheter som batterier," sa Huang. "Dessa enheter finns överallt i vår vardag, som belysning, elektronik, apparater och batterier."

Fortsatt arbete inom detta forskningsområde kommer att inkludera hur mellanskiktskopplingen påverkar andra typer av material. Dessutom kan deras fynd vara till nytta för andra forskare i framtiden.

"Människor utanför vårt område kan dra nytta av vår studie," sa Zhang. "Att trimma den här typen av invändig koppling med gränssnittet med vridvinklar har inte studerats tidigare. Dessa fynd kan vara slående för andra inom 2D-området vars arbete inte involverar Janus TMDs." + Utforska vidare

Skräddarsy 2D-material för att förbättra elektroniska och optiska enheter