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  • Descubrimientos sorprendentes sobre el disulfuro de molibdeno 2-D

    Con la sonda Campanile, La excitación óptica y la recolección se limitan espacialmente al espacio de tamaño nanométrico en el vértice de la punta, que se escanea sobre la muestra, registrando un espectro de emisión completo en cada posición. Crédito:James Schuck, Laboratorio de Berkeley

    Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han utilizado una sonda nanoóptica única para estudiar los efectos de la iluminación en semiconductores bidimensionales a nivel molecular. Trabajando en Molecular Foundry, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, el equipo científico utilizó la sonda "Campanile" que desarrollaron para hacer algunos descubrimientos sorprendentes sobre el disulfuro de molibdeno, un miembro de una familia de semiconductores, llamados "dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), cuyas propiedades optoelectrónicas son muy prometedoras para los futuros dispositivos nanoelectrónicos y fotónicos.

    "La notable resolución de la sonda Campanile nos permitió identificar una heterogeneidad optoelectrónica a nanoescala significativa en las regiones interiores de cristales monocapa de disulfuro de molibdeno, y un inesperado, aproximadamente 300 nanómetros de ancho, región de borde energéticamente desordenada, "dice James Schuck, científico del personal de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab. Schuck dirigió este estudio, así como el equipo que creó la sonda Campanile, que ganó un prestigioso premio R&D 100 en 2013 por combinar las ventajas de la microscopía de barrido / sonda y la espectroscopía óptica.

    "Esta región de borde desordenada, que nunca se ha visto antes, podría ser extremadamente importante para cualquier dispositivo en el que se desee hacer contactos eléctricos, ", Dice Schuck." También podría resultar crítico para las aplicaciones de conversión óptica fotocatalítica y no lineal ".

    Schuck, quien dirige la Instalación de Imágenes y Manipulación de Nanoestructuras en la Fundición Molecular, es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en Comunicaciones de la naturaleza . El artículo se titula "Visualización de propiedades de relajación excitónica a nanoescala de bordes desordenados y límites de grano en disulfuro de molibdeno monocapa". Los coautores principales son Wei Bao y Nicholas Borys. (Consulte a continuación para obtener una lista completa de autores).

    Los 2D-TMDC compiten con el grafeno como posibles sucesores del silicio para la próxima generación de electrónica de alta velocidad. Solo una molécula de espesor, Los materiales 2D-TMDC cuentan con eficiencias energéticas superiores y una capacidad para transportar densidades de corriente mucho más altas que el silicio. Sin embargo, desde su "descubrimiento" experimental en 2010, el rendimiento de los materiales 2D-TMDC se ha quedado muy por detrás de las expectativas teóricas principalmente debido a la falta de comprensión de las propiedades 2D-TMDC a nanoescala, particularmente sus propiedades excitónicas. Los excitones son pares unidos de electrones excitados y huecos que permiten que los semiconductores funcionen en los dispositivos.

    La comparación entre la imagen de la escama de MoS2 capturada con la sonda Campanile y la imagen de la misma escama capturada con microscopía confocal de barrido muestra la resolución mejorada de la sonda Campanile.

    "La escasa comprensión de las propiedades excitónicas 2D-TMDC y de otras propiedades a nanoescala se debe en gran parte a las limitaciones existentes en las imágenes nanospectroscópicas, "Dice Schuck." Con nuestra sonda Campanile, superamos casi todas las limitaciones anteriores de la microscopía de campo cercano y somos capaces de mapear propiedades y procesos químicos y ópticos críticos en sus escalas de longitud nativas ".

    La sonda Campanile, que toma su nombre de la emblemática torre del reloj "Campanile" en el campus de la Universidad de California en Berkeley, cuenta con un ahusado, Punta microscópica de cuatro lados que se monta en el extremo de una fibra óptica. Dos de los lados del Campanile están recubiertos de oro y las dos capas de oro están separadas por unos pocos nanómetros en la punta. El diseño cónico permite que la sonda Campanile canalice la luz de todas las longitudes de onda hacia un campo mejorado en el vértice de la punta. El tamaño del espacio entre las capas de oro determina la resolución, que puede estar por debajo del límite óptico de difracción.

    En su nuevo estudio, Schuck, Bao, Borys y sus coautores utilizaron la sonda Campanile para mapear espectroscópicamente los procesos de relajación / estado excitado a nanoescala en cristales monocapa de disulfuro de molibdeno que se cultivaron mediante deposición química de vapor (CVD). El disulfuro de molibdeno es un semiconductor 2D que presenta una alta conductancia eléctrica comparable a la del grafeno. pero, a diferencia del grafeno, tiene huecos de banda de energía natural, lo que significa que su conductancia se puede desconectar.

    “Nuestro estudio reveló una heterogeneidad optoelectrónica a nanoescala significativa y nos permitió cuantificar los fenómenos de extinción de excitones en los límites de los granos de cristal, ", Dijo Schuck." El descubrimiento de la región del borde desordenado constituye un cambio de paradigma de la idea de que solo un estado de borde metálico 1D es responsable de toda la física y fotoquímica relacionada con el borde que se observa en los TMDC 2D. Lo que está sucediendo en los bordes de los cristales 2D-TMDC es claramente más complicado que eso. Hay una región desordenada mesoscópica que probablemente domina la mayor parte del transporte, óptico no lineal, y comportamiento fotocatalítico cerca de los bordes de los 2D-TMDC desarrollados por CVD ".

    En este estudio, Schuck y sus colegas también descubrieron que la región del borde desordenada en los cristales de disulfuro de molibdeno alberga una deficiencia de azufre que tiene implicaciones para las futuras aplicaciones optoelectrónicas de este 2D-TMDC.

    "Menos azufre significa que hay más electrones libres en esa región del borde, que podría conducir a una mejor recombinación no radiativa, "Dice Schuck." La recombinación no radiativa mejorada significa que los excitones creados cerca de una vacante de azufre vivirían durante un período de tiempo mucho más corto ".

    Schuck y sus colegas planean estudiar a continuación las propiedades excitónicas y electrónicas que puedan surgir, así como la creación de uniones p-n y pozos cuánticos, cuando se conectan dos tipos distintos de TMDC

    "También estamos combinando materiales 2D-TMDC con las llamadas superficies meta para controlar y manipular los estados de valle y emisores circulares que existen dentro de estos sistemas, además de explorar estados cuánticos localizados que podrían actuar como emisores de fotones únicos casi ideales y estados Qubit entrelazados cuánticos, "Dice Schuck.


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