Ésta es una ilustración de una heteroestructura de MoS2 / WS2 con una monocapa de MoS2 encima de una monocapa de WS2. Se muestra que los electrones y los agujeros creados por la luz se separan en diferentes capas. Crédito:Grupo Feng Wang, Laboratorio de Berkeley / UC Berkeley
(Phys.org) —Acaba de agregar un nuevo argumento al creciente caso de que el grafeno sea derribado de su pedestal como la próxima gran novedad en el mundo de la alta tecnología por los semiconductores bidimensionales conocidos como materiales MX2. Una colaboración internacional de investigadores dirigida por un científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha informado de la primera observación experimental de transferencia de carga ultrarrápida en materiales MX2 fotoexcitados. El tiempo de transferencia de carga registrado se registró en menos de 50 femtosegundos, comparable a los tiempos más rápidos registrados para la energía fotovoltaica orgánica.
"Hemos demostrado, por primera vez, transferencia de carga eficiente en heteroestructuras MX2 a través del mapeo de fotoluminiscencia combinado y mediciones de absorción transitoria, "dice Feng Wang, físico de materia condensada de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley y del Departamento de Física de Berkeley de la Universidad de California (UC). "Habiendo determinado cuantitativamente que el tiempo de transferencia de carga sea inferior a 50 femtosegundos, nuestro estudio sugiere que las heteroestructuras MX2, con sus notables propiedades eléctricas y ópticas y el rápido desarrollo de síntesis de gran área, son una gran promesa para futuras aplicaciones fotónicas y optoelectrónicas ".
Wang es el autor correspondiente de un artículo en Nanotecnología de la naturaleza describiendo esta investigación. El artículo se titula "Transferencia de carga ultrarrápida en heteroestructuras de MoS2 / WS2 atómicamente delgadas". Los coautores son Xiaoping Hong, Jonghwan Kim, Su-Fei Shi, Yu Zhang, Chenhao Jin, Yinghui Sun, Sefaattin Tongay, Junqiao Wu y Yanfeng Zhang.
Las monocapas MX2 constan de una sola capa de átomos de metales de transición, como molibdeno (Mo) o tungsteno (W), intercalado entre dos capas de átomos de calcógeno, como azufre (S). La heteroestructura resultante está unida por la atracción intermolecular relativamente débil conocida como fuerza de van der Waals. Estos semiconductores 2D presentan la misma estructura hexagonal "en panal" que el grafeno y conductancia eléctrica ultrarrápida, pero, a diferencia del grafeno, tienen huecos de banda de energía natural. Esto facilita su aplicación en transistores y otros dispositivos electrónicos porque, a diferencia del grafeno, su conductancia eléctrica se puede desconectar.
Feng Wang es físico de materia condensada en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y en el Departamento de Física de la UC Berkeley. Crédito:Roy Kaltschmidt, Laboratorio de Berkeley
"La combinación de diferentes capas de MX2 permite controlar sus propiedades físicas, "dice Wang, quien también es investigador del Instituto Kavli Energy NanoSciences (Kavli-ENSI). "Por ejemplo, la combinación de MoS2 y WS2 forma un semiconductor de tipo II que permite una rápida separación de carga. La separación de los electrones fotoexcitados y los huecos es esencial para impulsar una corriente eléctrica en un fotodetector o célula solar ".
Al demostrar las capacidades de separación de carga ultrarrápida de muestras atómicamente delgadas de heteroestructuras MoS2 / WS2, Wang y sus colaboradores han abierto nuevas vías potencialmente ricas, no solo para fotónica y optoelectrónica, sino también para fotovoltaica.
"Los semiconductores MX2 tienen propiedades de absorción óptica extremadamente fuertes y, en comparación con los materiales fotovoltaicos orgánicos, tienen una estructura cristalina y mejores propiedades de transporte eléctrico, "Dice Wang." Factor en una tasa de transferencia de carga de femtosegundos y los semiconductores MX2 proporcionan una forma ideal de separar espacialmente electrones y huecos para la recolección y utilización eléctrica ".
El mapeo de fotoluminiscencia de una heteroestructura de MoS2 / WS2 con la escala de color que representa la intensidad de fotoluminiscencia muestra una fuerte extinción de la fotoluminiscencia de MoS2. Crédito:Grupo Feng Wang
Wang y sus colegas están estudiando los orígenes microscópicos de la transferencia de carga en heteroestructuras MX2 y la variación en las tasas de transferencia de carga entre diferentes materiales MX2.
"También estamos interesados en controlar el proceso de transferencia de carga con campos eléctricos externos como medio de utilizar heteroestructuras MX2 en dispositivos fotovoltaicos, "Dice Wang.
