(Izquierda) Gráfico que muestra el cambio en la fotoluminiscencia de MoS2 tras la exposición a H2O solo, O2 solo, y aire ambiente a presiones de 7, 200, y 760 Torr, respectivamente. (Derecha) Figura que muestra la diferencia de densidad de carga entre el MoS2 prístino y el MoS2 adsorbido en O2. Crédito:Sefaattin Tongay, et al. © 2013 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —La mención de un material bidimensional con excelentes propiedades eléctricas y ópticas puede traer primero a la mente el grafeno. Sin embargo, esta descripción también se ajusta a otra clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMD). Aunque los TMD en forma masiva se han estudiado durante décadas, incluso antes de que se descubriera el grafeno, solo recientemente se han aislado en monocapas. Con los recientes avances en la caracterización de nanomateriales, Los científicos han reconocido el potencial de los TMD monocapa en aplicaciones como LED, conversión de energía óptica, y otras tecnologías optoelectrónicas 2D.
Los TMD monocapa son semiconductores de banda prohibida directa y, por esta razón, se espera que sean buenos emisores de luz. Pero hasta ahora, Los TMD monocapa han emitido luz solo a bajas intensidades y bajas eficiencias. Y debido a que la física subyacente de la emisión de luz TMD monocapa sigue siendo esquiva, los científicos han tenido dificultades para realizar mejoras.
Ahora, un nuevo estudio realizado por investigadores de los departamentos de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de California, Berkeley, y MIT, así como del Instituto de Semiconductores de la Academia China de Ciencias en Beijing, Porcelana, ha demostrado una mejora en la intensidad de emisión de luz de los TMD en un factor de 100. El estudio se publicó en una edición reciente de Nano letras .
"La importancia de este trabajo es la demostración y comprensión de la modulación de la luz mediante compuertas moleculares y eléctricas, "coautor Sefaattin Tongay, investigador postdoctoral en Berkeley, dicho Phys.org . "Hemos presentado una comprensión detallada de la modulación observada y logrado intensidades de emisión de luz notables. Estos resultados tienen un impacto de gran alcance en el campo, ya que los TMD monocapa tienen una gran proporción de superficie a volumen y, por lo tanto, son muy sensibles a las condiciones ambientales. Nuestros resultados están demostrando una comprensión detallada de los cambios en las propiedades ópticas causados por la interacción entre las moléculas de gas y los TMD monocapa. Aquí, estamos aprovechando esta propiedad y modulando la emisión de luz de forma reversible hasta 100 veces mediante métodos simples de control de gas y eléctricos ".
A diferencia del grafeno, que es un material orgánico compuesto únicamente por átomos de carbono, Los TMD que los científicos estudiaron aquí son materiales inorgánicos donde cada molécula está hecha de un metal de transición y dos calcogenuros. Su fórmula química es MX 2 , con ejemplos comunes como MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 y WSe 2 .
En sus experimentos, los investigadores primero prepararon MoS monocapa 2 escamas de solo 0,7 nm, o tres átomos, grueso. Luego, para hacer que las escamas sean más sensibles a las moléculas de gas, los investigadores recocieron los copos colocándolos en una cámara de vacío a alta temperatura. Después del recocido, las escamas monocapa se expusieron a diferentes tipos de gases a presiones de gas controladas.
Tras la exposición a H 2 Oh O 2 , o H 2 O y O 2 juntos, la intensidad de emisión de luz de las escamas de MoS2 aumentó en 10, 35, y 100 veces, respectivamente. Los investigadores no observaron la misma mejora en un gas inerte (N 2 y Ar) medio ambiente, lo que sugiere que el efecto parece estar directamente relacionado con la interacción entre el O 2 y H 2 O y el TMD monocapa.
Los investigadores también encontraron que el efecto es completamente reversible cuando el gas se bombea fuera de la cámara. momento en el que la intensidad vuelve inmediatamente a su valor original. Como señalaron los científicos, La intensidad de emisión de luz reversible es un criterio importante para diversas aplicaciones ópticas. La reversibilidad también sugiere que el O 2 y H 2 Las moléculas de O son fisisorbidas en lugar de quimisorbidas en la superficie de MoS2. Como moléculas absorbidas físicamente, la estructura molecular permanece sin cambios, a diferencia de las moléculas absorbidas químicamente.
Aún más interesante, los investigadores encontraron que mientras MoSe 2 exhibe una sensibilidad de gas similar a MoS 2 , WSe 2 muestra el comportamiento opuesto; es decir, su intensidad de emisión de luz disminuye con la exposición a O 2 y / o H 2 O.
Estas observaciones, junto con simulaciones, permitió a los investigadores proponer un mecanismo físico para explicar el efecto. Ellos piensan que, cuando las moléculas de gas son fisisorbidas en el MoS 2 (o MoSe 2 ) superficie, algunos de los electrones libres de la superficie se transfieren a las moléculas de gas, agotando el MoS 2 (o MoSe 2 ) de sus electrones libres. Normalmente, los excitones de la superficie se unirían a los electrones y se convertirían en "triones" cargados negativamente. Pero sin el exceso de electrones libres, los excitones permanecen neutrales y estables, promoviendo una emisión de luz más intensa.
"Esta [modulación] es posible para el sistema que estudiamos debido a su naturaleza bidimensional, que no solo da la máxima relación superficie-volumen (por lo tanto, los sitios de superficie máximos para interactuar con las moléculas de gas), pero también confina los electrones en la medida en que mejora en gran medida las interacciones entre electrones, agujeros y luz, "explicó el coautor Junqiao Wu, profesor de la Universidad de California, Berkeley.
Este mecanismo también explica por qué WSe2 muestra el comportamiento opuesto al de MoS 2 y MoSe 2 . El MoS 2 y MoSe 2 Las superficies tienen electrones libres en primer lugar porque ambos son semiconductores dopados de tipo n. WSe 2 , por otra parte, es un semiconductor dopado de tipo p y tiene huecos libres en lugar de electrones. Entonces para WSe 2 , la O 2 y / o H 2 O las moléculas de gas hacen que los agujeros se acumulen, en lugar de agotarse, en el WSe 2 superficie. Como resultado, el WSE 2 contiene incluso más triones que antes de estar expuesto a las moléculas de gas, lo que disminuye su intensidad de emisión de luz.
Los investigadores también demostraron una modulación de emisión de luz similar en dispositivos con compuerta eléctrica en un entorno de gas controlado. Sin embargo, la modulación en este caso fue insignificante cuando el dispositivo estaba funcionando en condiciones de vacío. El hallazgo sugiere que la compuerta eléctrica también puede modular la emisión de luz al controlar la fisisorción de gas en los TMD monocapa.
La capacidad de controlar de forma reversible la intensidad de la emisión de luz de los TMD semiconductores mediante el control de la presión del gas y la activación eléctrica podría tener efectos de gran alcance en los campos de la física de la materia condensada. óptica, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, y electrónica. Los investigadores predicen que, con la nueva comprensión de cómo la interacción entre los TMD de gas y monocapa afecta las propiedades ópticas de los TMD, Se pueden lograr más mejoras en la intensidad de la emisión de luz. Por ejemplo, experimentando con diferentes moléculas de gas, modificar la superficie de la monocapa con agentes químicos que aumentan la sensibilidad a las moléculas de gas, y la creación intencional de defectos puntuales en la monocapa para promover la fisisorción podría mejorar aún más la intensidad de la emisión de luz, haciendo que los TMD monocapa sean aún más adecuados para aplicaciones optoelectrónicas.
En el futuro, los investigadores planean trabajar en el desarrollo de nuevos materiales con características inusuales mediante la ingeniería de sus propiedades físicas, como lo hicieron aquí.
"Estudiaremos los efectos de cualquier imperfección en general en estos semiconductores bidimensionales, incluidos los defectos atómicos, efectos de sustrato, así como interacciones con moléculas adsorbidas, "Dijo Wu.
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