Imágenes ópticas de dos tipos de muestras de monocapa de MoTe2:(a) las escamas de MoTe2 que eran altamente luminiscentes para empezar mantienen su brillo durante el período de observación de 8 días; (b) Las escamas de MoTe2 que eran débilmente luminiscentes al inicio se desvanecen en unos pocos días, y partes de ellos parecen desaparecer por completo. Crédito:Bin Chen, et al. © 2015 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —Cuando se expone al aire, un material 2D luminiscente llamado telururo de molibdeno (MoTe 2 ) parece descomponerse en un par de días, perdiendo su contraste óptico y volviéndose prácticamente transparente. Pero cuando los científicos investigaron más, encontraron que la desaparición es una ilusión:el material permanece estructuralmente estable, y sólo cambian sus propiedades materiales. Los resultados revelan información sobre la estabilidad ambiental y las propiedades inusuales de una clase más nueva de materiales 2D llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMD).
Los investigadores, dirigido por Sefaattin Tongay, Profesor asistente en la Universidad Estatal de Arizona, han publicado un artículo sobre la luminiscencia cambiante en un número reciente de ACS Nano .
"En la actualidad, muchos investigadores de todo el mundo están demostrando aplicaciones de prueba de concepto muy impresionantes y prometedoras utilizando sistemas de materiales 2D, pero aún no conocemos su estabilidad material durante largos períodos de tiempo, "Tongay dijo Phys.org . "Esta investigación presenta el caso único de MoTe 2 , el único TMD de rango infrarrojo, donde las monocapas desaparecen visualmente pero permanecen físicamente allí ".
Como otros TMD, Mota 2 destaca por sus interesantes propiedades ópticas. A granel, Los TMD no son luminiscentes, pero cuando se exfolian escamas de un átomo de capa gruesa de la masa, las escamas 2D se convierten en semiconductores y emiten luz con bastante intensidad. Por esta razón, Los TMD semiconductores 2D podrían tener aplicaciones en tecnologías de conversión de energía solar y optoelectrónica. Como el único TMD que tiene una banda prohibida de rango infrarrojo, Mota 2 es particularmente adecuado para detectores de infrarrojos y transistores de efecto de campo de túnel.
Debido a que los materiales 2D tienen una gran relación superficie-volumen, sus propiedades pueden verse afectadas por interacciones entre su superficie y el medio ambiente. Observando que los compuestos de telurio son particularmente sensibles al oxígeno, los investigadores aquí querían investigar qué sucede cuando la monocapa MoTe 2 está expuesta al oxígeno durante varios días.
Los investigadores comenzaron observando el material bajo un microscopio óptico con una lente infrarroja. Encontraron que MoTe 2 las escamas que eran altamente luminiscentes al principio mantuvieron su brillo durante el período de observación de 8 días. Por otra parte, las escamas débilmente luminiscentes parecieron desvanecerse inesperadamente en 1-3 días, y partes de ellos desaparecieron por completo.
Sin embargo, al ver las escamas "desapareciendo" con un microscopio de fuerza atómica (AFM), que escanea las muestras de forma mecánica en lugar de ópticamente, los investigadores vieron que los copos "reaparecían". Los copos nunca habían desaparecido en primer lugar, pero sus propiedades ópticas habían cambiado mientras se mantenía su estructura química.
Los investigadores proponen que la razón por la que las escamas débilmente luminiscentes parecen desaparecer es que tienen una gran cantidad de defectos, particularmente vacantes debido a átomos faltantes. Estas vacantes son la razón por la que las escamas tienen una luminiscencia inicial baja, y también explicar por qué pierden su luminiscencia cuando se exponen al oxígeno. Moléculas de oxígeno (O 2 ) del aire se incrustan en estos defectos y se unen a Mo y Te, formando "estados profundos" que básicamente atrapan electrones y huecos, prohibiendo efectivamente la luminiscencia. Por otra parte, las escamas que son altamente luminiscentes para empezar tienen una pequeña cantidad de defectos, para que no absorban tantas moléculas de oxígeno, no sufras perdida de luminiscencia, y sus propiedades ópticas permanecen cercanas a sus propiedades en condiciones de vacío.
"Este trabajo muestra que una pequeña cantidad de defectos en MoTe 2 puede tener un gran impacto en las propiedades de sus materiales, como óptico, eléctrico, y vibracional, y estos cambios ocurren gradualmente con el tiempo de manera similar a la crianza del vino:dependiendo de la concentración del defecto, Mota 2 las monocapas pueden estropearse con el tiempo (o pueden mejorar), Tongay explicó.
Los resultados aquí muestran que los defectos juegan un papel importante en las propiedades ópticas y la estabilidad de MoTe. 2 , y también podría revelar información sobre la estabilidad ambiental de otros materiales 2D, como el siliceno (silicio 2D), fosforeno (fósforo 2D), y otros TMD. También podría conducir a formas de controlar las propiedades de estos materiales.
(De izquierda a derecha) Postdoctorado Aslihan Suslu, Estudiante de doctorado Bin Chen, y el profesor asistente Sefaattin Tongay han investigado la estabilidad del material y las propiedades ópticas de los dicalcogenuros de metales de transición 2D (TMD), que tienen aplicaciones potenciales en optoelectrónica y otras áreas. Crédito:Sefaattin Tongay
"Este es un descubrimiento importante en el sentido de que prácticamente implica que podemos ajustar las propiedades ópticas de 2D MoTe 2 manipulando la densidad del defecto en el material y evitando que el material pierda sus atributos intrínsecos mejorando la calidad del cristal, "dijo Bin Chen, Estudiante de doctorado en la Universidad Estatal de Arizona y autor principal del artículo.
En el futuro, los investigadores planean explorar y establecer la estabilidad de otros sistemas de materiales 2D, así como potenciar sus propiedades mediante la funcionalización molecular a través de puntos de defecto existentes o creados intencionalmente.
"A pesar de los resultados alentadores y las aplicaciones impresionantes, nuestros resultados apuntan hacia la inestabilidad ambiental durante un período de un mes, ", Dijo Chen." Esperamos comprender esto e idealmente superar estos desafíos utilizando nuestro conocimiento y experiencia en ciencia e ingeniería de materiales ".
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