Esquema de un rayo láser que energiza un semiconductor monocapa compuesto de disulfuro de molibdeno (MoS2). Los puntos rojos brillantes son partículas excitadas por el láser. Crédito:Der-Hsien Lien
Una clase emergente de materiales atómicamente delgados conocidos como semiconductores monocapa ha generado un gran revuelo en el mundo de la ciencia de los materiales. Las monocapas son prometedoras en el desarrollo de pantallas LED transparentes, células solares de ultra alta eficiencia, fotodetectores y transistores a nanoescala. ¿Su desventaja? Las películas están notoriamente plagadas de defectos, matando su desempeño.
Pero ahora un equipo de investigación, dirigido por ingenieros de la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, ha encontrado una forma sencilla de corregir estos defectos mediante el uso de un superácido orgánico. El tratamiento químico condujo a un dramático aumento de 100 veces en el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia del material, una relación que describe la cantidad de luz generada por el material frente a la cantidad de energía introducida. Cuanto mayor es la emisión de luz, cuanto mayor sea el rendimiento cuántico y mejor será la calidad del material.
Los investigadores mejoraron el rendimiento cuántico de disulfuro de molibdeno, o MoS2, desde menos del 1 por ciento hasta el 100 por ciento sumergiendo el material en un superácido llamado bistriflimida, o TFSI.
Sus hallazgos, que se publicará en la edición del 27 de noviembre de Ciencias , abre la puerta a la aplicación práctica de materiales monocapa, como MoS2, en dispositivos optoelectrónicos y transistores de alto rendimiento. MoS2 tiene apenas siete décimas de nanómetro de espesor. Para comparacion, una hebra de ADN humano tiene 2,5 nanómetros de diámetro.
Un semiconductor monocapa de MoS2 con la forma del logotipo de Cal. La imagen de la izquierda muestra el material antes de que fuera tratado con superácido. A la derecha está la monocapa después del tratamiento. Los investigadores pudieron lograr una mejora de dos órdenes de magnitud en la luz emitida con el tratamiento con superácidos. Crédito:Imagen de Matin Amani
"Tradicionalmente, cuanto más delgado es el material, cuanto más sensible es a los defectos, "dijo el investigador principal Ali Javey, Profesor de UC Berkeley de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y científico de la facultad en Berkeley Lab. "Este estudio presenta la primera demostración de una monocapa optoelectrónicamente perfecta, que anteriormente no se había escuchado en un material tan delgado ".
Los investigadores miraron a los superácidos porque, por definición, son soluciones con propensión a "dar" protones, a menudo en forma de átomos de hidrógeno, a otras sustancias. Esta reacción química, llamada protonación, tiene el efecto de rellenar los átomos faltantes en el lugar de los defectos, así como de eliminar los contaminantes no deseados adheridos a la superficie, dijeron los investigadores.
Los coautores principales del artículo son UC Berkeley Ph.D. estudiante Matin Amani, visitando Ph.D. el estudiante Der-Hsien Lien y el becario postdoctoral Daisuke Kiriya.
Señalaron que los científicos han estado buscando semiconductores monocapa debido a su baja absorción de luz y su capacidad para resistir torsiones. curvas y otras formas extremas de deformación mecánica, que pueden permitir su uso en dispositivos transparentes o flexibles.
Ali Javey, Profesor de UC Berkeley en la Facultad de Ingeniería, y los investigadores de su laboratorio han encontrado una manera de eliminar los defectos de los semiconductores de monocapa atómicamente delgados. Mostrado, de izquierda a derecha, son Javey, Matin Amani, Der-Hsien Lien y Daisuke Kiriya. Crédito:Hiroki Ota
MoS2, específicamente, se caracteriza por capas moleculares unidas por fuerzas de van der Waals, un tipo de enlace atómico entre cada capa que es atómicamente nítido. Un beneficio adicional de tener un material tan delgado es que es altamente sintonizable eléctricamente. Para aplicaciones como pantallas LED, esta característica puede permitir la fabricación de dispositivos en los que un solo píxel podría emitir una amplia gama de colores en lugar de solo uno al variar la cantidad de voltaje aplicado.
Los autores principales agregaron que la eficiencia de un LED está directamente relacionada con el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia, por lo que, en principio, se podrían desarrollar pantallas LED de alto rendimiento que sean transparentes cuando estén apagadas y flexibles utilizando las monocapas optoelectrónicas "perfectas" producidas en este estudio.
Este tratamiento también tiene un potencial revolucionario para los transistores. A medida que los dispositivos de los chips de computadora se vuelven más pequeños y delgados, los defectos juegan un papel más importante en la limitación de su desempeño.
"Las monocapas libres de defectos desarrolladas aquí podrían resolver este problema, además de permitir nuevos tipos de interruptores de baja energía, " said Javey.
