(Phys.org) - El impulso para desarrollar dispositivos electrónicos ultrapequeños y ultrarrápidos utilizando una sola capa atómica de semiconductores, tales como dicalcogenuros de metales de transición, ha recibido un impulso significativo. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han registrado las primeras observaciones de una fuerte resonancia óptica no lineal a lo largo de los bordes de una sola capa de disulfuro de molibdeno. La existencia de estos estados de borde es clave para el uso de disulfuro de molibdeno en nanoelectrónica, así como un catalizador para la reacción de desprendimiento de hidrógeno en pilas de combustible, desulfuración y otras reacciones químicas.

"Observamos fuertes resonancias ópticas no lineales en los bordes de un cristal bidimensional de disulfuro de molibdeno", dice Xiang Zhang, un científico de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab que dirigió este estudio. "Estos estados de borde unidimensionales son el resultado de cambios en la estructura electrónica y pueden permitir novedosos dispositivos nanoelectrónicos y fotónicos. También se ha sospechado durante mucho tiempo que estos bordes son los sitios activos para la reacción de evolución de hidrógeno electrocatalítico en aplicaciones de energía. propiedades de generación de luz armónica que pueden usarse para el monitoreo in situ de cambios electrónicos y reacciones químicas que ocurren en los bordes atómicos unidimensionales ".

Zhang, quien también tiene la cátedra Ernest S. Kuh Endowed Professor en la Universidad de California (UC) Berkeley y dirige el Centro de Ingeniería y Ciencia a nanoescala de la National Science Foundation, es el autor correspondiente de un artículo en Ciencias describiendo esta investigación. El artículo se titula "Óptica no lineal de borde en una monocapa atómica MoS2". Los coautores son Xiaobo Yin, Ziliang Ye, Daniel Chenet, Yu Ye, Kevin O'Brien y James Hone.

Los semiconductores bidimensionales emergentes son apreciados en la industria electrónica por su eficiencia energética superior y su capacidad para transportar densidades de corriente mucho más altas que el silicio. Solo una molécula de espesor, son adecuados para dispositivos optoelectrónicos integrados. Hasta hace poco, el grafeno ha sido la superestrella indiscutible de los materiales 2D, pero hoy en día hay una atención considerable centrada en los cristales semiconductores 2D que consisten en una sola capa de átomos de metales de transición, como el molibdeno, tungsteno o niobio, intercalado entre dos capas de átomos de calcógeno, como azufre o selenio. Con la misma estructura hexagonal plana "en forma de panal" que el grafeno y muchas de las mismas ventajas eléctricas, estos dicalcogenuros de metales de transición, a diferencia del grafeno, tienen bandgaps de energía directa. Esto facilita su aplicación en transistores y otros dispositivos electrónicos, particularmente diodos emisores de luz.

La plena realización del vasto potencial de los dicalcogenuros de metales de transición solo llegará con una mejor comprensión de las orientaciones de dominio de sus estructuras cristalinas que dan lugar a sus propiedades excepcionales. Hasta ahora, sin embargo, Las imágenes experimentales de estas estructuras de tres átomos de espesor y sus bordes se han limitado a microscopía de túnel de barrido y microscopía electrónica de transmisión. tecnologías que a menudo son difíciles de usar. La óptica no lineal en los bordes y límites del cristal permitió a Zhang y sus colaboradores desarrollar una nueva técnica de imagen basada en emisiones de luz de segunda generación armónica (SHG) que puede capturar fácilmente las estructuras cristalinas y las orientaciones de los granos con un microscopio óptico.

"Nuestra técnica de imagen óptica no lineal es una técnica no invasiva, rápido, enfoque metrológico sencillo para el estudio de materiales atómicos 2D, "dice Xiaobo Yin, el autor principal de la Ciencias paper y ex miembro del grupo de investigación de Zhang que ahora forma parte de la facultad de la Universidad de Colorado, Roca. "No necesitamos preparar la muestra en ningún sustrato especial o entorno de vacío, y la medición no perturbará la muestra durante el proceso de obtención de imágenes. Esta ventaja permite realizar mediciones in situ en muchas condiciones prácticas. Es más, nuestra técnica de imagen es una medición ultrarrápida que puede proporcionar información dinámica crítica, y su instrumentación es mucho menos complicada y menos costosa en comparación con la microscopía de túnel de barrido y la microscopía electrónica de transmisión ".

Para obtener imágenes de SHG de disulfuro de molibdeno, Zhang y sus colaboradores iluminaron membranas de muestra que tienen solo tres átomos de espesor con pulsos ultrarrápidos de luz infrarroja. Las propiedades ópticas no lineales de las muestras produjeron una fuerte respuesta SHG en forma de luz visible que es tanto sintonizable como coherente. Las imágenes resultantes generadas por SHG permitieron a los investigadores detectar "discontinuidades estructurales" o bordes a lo largo de los cristales 2D de solo unos pocos átomos de ancho donde se rompió la simetría de traslación del cristal.

"Al analizar los componentes polarizados de las señales SHG, pudimos mapear la orientación del cristal de la membrana atómica de disulfuro de molibdeno, "dice Ziliang Ye, el coautor principal del artículo y miembro actual del grupo de investigación de Zhang. "Esto nos permitió capturar un mapa completo de las estructuras de los granos de cristal, codificado por colores según la orientación del cristal. Ahora tenemos un tiempo real, herramienta no invasiva que nos permite explorar la estructura, óptico, y propiedades electrónicas de capas atómicas 2D de dicalcogenuros de metales de transición en un área grande ".