El espectro de fotoluminiscencia a 77K para MoS2 y MoS2 prístinos con defectos creados por dos dosis de irradiación diferentes. Los defectos mejoran la intensidad del pico de fotoluminiscencia original (X0) y crean un nuevo pico (XB). Crédito:Tongay, et al. © 2013 Naturaleza
Cuando los científicos eliminan átomos individuales en un material semiconductor, las vacantes resultantes se convierten en defectos puntuales. Al contrario de lo que implica su nombre, estos defectos pueden tener efectos beneficiosos sobre las propiedades de los semiconductores y habilitar la mayoría de las funcionalidades de los materiales electrónicos. En un nuevo estudio, Los investigadores han demostrado que los defectos puntuales en semiconductores 2D dan como resultado un aumento en la intensidad de fotoluminiscencia a temperatura ambiente general. Más lejos, los defectos crean un nuevo pico de emisión que podría conducir a una mejor comprensión de la física de defectos en semiconductores 2D, así como a futuras aplicaciones como dispositivos emisores de luz de varios colores.
Los investigadores, dirigido por Sefaattin Tongay, Joonki Suh, y J. Wu, en la Universidad de California, Berkeley, la Academia de Ciencias de China en Beijing, y MIT, han publicado su artículo sobre los efectos de los defectos puntuales en semiconductores 2D en un número reciente de Nature's Informes científicos .
"Típicamente, los defectos en los materiales se consideran algo no deseado, "Tongay dijo Phys.org . "De lo contrario, la mayoría de las funcionalidades de los materiales están habilitadas por diversas imperfecciones, como defectos. En este trabajo, mostramos que la ingeniería de los defectos en materiales bidimensionales nos permite crear otro canal de emisión de luz y también mejorar la emisión de luz.
"Es probable que esto sea un hito en el campo. Los científicos no sabíamos cómo observar defectos por métodos ópticos, y aquí hemos encontrado las primeras firmas de defectos en semiconductores 2D. Eso es emocionante. Aparentemente, los defectos son otra forma de ajustar / activar las propiedades del material a pedido ".
Si bien la física de los defectos puntuales en semiconductores 3D se ha estudiado ampliamente, se sabe mucho menos sobre defectos puntuales en los semiconductores 2D desarrollados más recientemente. Los sistemas electrónicos de baja dimensión son muy susceptibles al desorden y las imperfecciones. En semiconductores 2D, Se espera que esta propensión influya fuertemente en los procesos electrónicos y excitónicos. Uno de esos tipos de semiconductores 2D de reciente aparición son los dicalcogenuros de metales de transición monocapa (TMD). Debido a que los TMD tienen intervalos de banda directos, lo que significa que los electrones pueden emitir fotones directamente, son materiales emisores de luz prometedores.
Aquí, los científicos descubrieron que eliminar átomos de calcógeno (azufre) de una muestra de 0,7 nm de espesor del TMD MoS 2 cambia significativamente sus propiedades ópticas. A medida que aumenta el número de defectos en el material, aumenta el brillo general de la luz que emite el material. Esta luz tiene un pico de fotoluminiscencia a 1.90 eV, que determina su longitud de onda y color. Pero los defectos también crearon un nuevo pico de fotoluminiscencia a 1,78 eV.
Los científicos encontraron que este pico de energía más bajo domina el espectro de fotoluminiscencia a bajas temperaturas, y se vuelve más débil a medida que aumenta la temperatura hasta que desaparece por completo por encima de 250 K (-23 ° C). Sin embargo, a temperatura ambiente, la presencia de tales defectos aumenta la emisión de luz. Esta observación va en contra de la sabiduría convencional en el nuevo campo de los semiconductores 2D, que ha sido que la intensidad de emisión óptica a temperatura ambiente es criterio suficiente para evaluar la calidad del cristal de semiconductores 2D; los resultados aquí sugieren que las evaluaciones de la calidad del cristal deberían involucrar mediciones de fotoluminiscencia a baja temperatura.
Los científicos también demostraron que los defectos de vacantes tienen efectos similares en las propiedades ópticas de otros dos TMD, MoSe 2 y WSe 2 . Estos resultados indican que los efectos de los defectos puntuales son probablemente universales en otros semiconductores 2D, así como.
Los investigadores proponen que el mecanismo subyacente de estos efectos depende de la interacción de los sitios del defecto con el gas nitrógeno en el aire. En el vacío los defectos no tuvieron ningún efecto sobre las propiedades ópticas de los TMD. Los científicos explican que N 2 las moléculas en el aire pueden drenar electrones libres del material en los sitios del defecto, lo que da como resultado una mayor proporción de excitones libres (electrones unidos a huecos) en el material. Una parte de los excitones libres queda atrapada y atada por las vacantes de defectos, formando excitones ligados. Finalmente, los excitones libres y unidos se recombinan radiativamente y producen dos picos de emisión de luz distintos a 1,90 eV (~ 650 nm) y 1,78 eV (~ 700 nm), respectivamente.
Dado que los investigadores pueden crear estos defectos mediante irradiación o recocido térmico, la densidad de defectos, y los cambios resultantes en las propiedades ópticas del material, se pueden controlar mediante ingeniería de defectos. Esta capacidad podría conducir a la producción de semiconductores 2D con múltiples bandgaps, dispositivos de emisión de luz multicolor, y sensores ópticos de gas, entre otras aplicaciones.
"Con un diseño inteligente, Los semiconductores 2D con defectos puntuales muestran potencialmente un mejor rendimiento de los materiales, que se puede realizar descubriendo defectos físicos en sistemas 2D, "Dijo Suh." ¡Ese es el objetivo final de nuestro equipo! "
© 2013 Phys.org
