(arriba) Los dispositivos con MoS2 de una y siete capas se construyeron sobre una base de silicio y se compararon. Las constantes dieléctricas responsables de la diferencia de potenciales electrostáticos se muestran entre paréntesis. (abajo) El dispositivo con MoS2 de una capa (dentro de la caja violeta) mostró un mejor desempeño en la conversión de luz en corriente eléctrica que el dispositivo de siete capas (dentro de la caja rosa). Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
El Centro de Física Integrada de Nanoestructuras, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) ha desarrollado el fotodetector más delgado del mundo, ese es un dispositivo que convierte la luz en una corriente eléctrica. Con un grosor de solo 1,3 nanómetros, 10 veces más pequeño que los diodos de silicio estándar actuales, este dispositivo podría usarse en Internet de las cosas. dispositivos inteligentes, electrónica portátil y fotoelectrónica. Esta tecnología 2D, Publicado en Comunicaciones de la naturaleza , utiliza disulfuro de molibdeno (MoS2) intercalado en grafeno.
El grafeno es un material fantástico:es conductor, delgado (solo un átomo de espesor), transparente y flexible. Sin embargo, dado que no se comporta como un semiconductor, su aplicación en la industria electrónica es limitada. Por lo tanto, para aumentar la usabilidad del grafeno, Los científicos del IBS intercalaron una capa del semiconductor 2D MoS2 entre dos láminas de grafeno y la colocaron sobre una base de silicio. Inicialmente pensaron que el dispositivo resultante era demasiado delgado para generar una corriente eléctrica, pero, inesperadamente, lo hizo. "Un dispositivo con una capa de MoS2 es demasiado delgado para generar una unión p-n convencional, donde las cargas positivas (p) y las cargas negativas (n) están separadas y pueden crear un campo eléctrico interno. Sin embargo, cuando lo iluminamos, observamos una alta fotocorriente. ¡Fue sorprendente! Dado que no puede ser una unión p-n clásica, pensamos investigarlo más a fondo, "explica YU Woo Jong, primer autor de este estudio.
Para entender lo que encontraron los investigadores compararon dispositivos con una y siete capas de MoS2 y probaron qué tan bien se comportan como fotodetectores, es decir, cómo son capaces de convertir la luz en corriente eléctrica. Descubrieron que el dispositivo con MoS2 de una capa absorbe menos luz que el dispositivo con siete capas, pero tiene una mayor fotosensibilidad. "Por lo general, la fotocorriente es proporcional a la fotoabsorbancia, es decir, si el dispositivo absorbe más luz, debería generar más electricidad, pero en este caso, incluso si el dispositivo MoS2 de una capa tiene una absorbancia menor que el MoS2 de siete capas, produce siete veces más fotocorriente, "describe Yu.
Mecanismo para explicar por qué el dispositivo con MoS2 de una capa genera más fotocorriente que el de MoS2 de siete capas. (arriba) En el dispositivo de una capa MoS2 (derecha), el electrón (círculo rojo) tiene una mayor probabilidad de hacer un túnel desde la capa de MoS2 al GrT porque la barrera de energía (arco blanco) es más pequeña en esa unión. En cambio, en el dispositivo MoS2 de siete capas (izquierda), la barrera de energía entre MoS2 / GrT y MoS2 / GrB es la misma, por lo que los electrones no tienen una dirección de flujo preferida. Se genera más energía en el dispositivo MoS2 de una capa porque fluyen más electrones en la misma dirección. (abajo) Imagine que la gente quiere cruzar una montaña sin demasiado esfuerzo. Si las montañas tienen diferente altura (derecha), más personas eligen escalar (o mejor, para hacer un túnel) la pequeña montaña, mientras que si las montañas tienen la misma altura (izquierda), no tienen una ruta preferida. Crédito:Freepiks
La monocapa es más delgada y, por lo tanto, más sensible al entorno circundante:la capa inferior de SiO2 aumenta la barrera de energía, mientras el aire de arriba lo reduce, por lo tanto, los electrones en el dispositivo de monocapa tienen una mayor probabilidad de hacer un túnel desde la capa de MoS2 hasta el grafeno superior (GrT). La barrera de energía en la unión GrT / MoS2 es más baja que la de GrB / MoS2, por lo que los electrones excitados se transfieren preferentemente a la capa GrT y crean una corriente eléctrica. En cambio, en el dispositivo MoS2 multicapa, las barreras de energía entre GrT / MoS2 y GrB / MoS2 son simétricas, por lo tanto, los electrones tienen la misma probabilidad de ir a ambos lados y así reducir la corriente generada.
Imagínese un grupo de personas en un valle rodeado por dos montañas. El grupo quiere llegar al otro lado de las montañas, pero sin hacer demasiado esfuerzo. En un caso (el dispositivo MoS2 de siete capas), Ambas montañas tienen la misma altura, por lo que cualquier montaña que se cruce, el esfuerzo será el mismo. Por lo tanto, la mitad del grupo cruza una montaña y la otra mitad la segunda montaña.
En el segundo caso (análogo al dispositivo MoS2 de una capa), una montaña es más alta que la otra, por lo que la mayoría del grupo decide cruzar la montaña más pequeña. Sin embargo, porque estamos considerando la física cuántica en lugar del electromagnetismo clásico, no necesitan escalar la montaña hasta llegar a la cima (como tendrían que hacer con la física clásica), pero pueden atravesar un túnel. Aunque el túnel de electrones y caminar por un túnel en una montaña son muy diferentes, por supuesto, la idea es que la corriente eléctrica es generada por el flujo de electrones, y el dispositivo más delgado puede generar más corriente porque fluyen más electrones en la misma dirección.
(a) Ilustración del dispositivo con la capa semiconductora de disulfuro de molibdeno (MoS2) intercalada entre las capas de grafeno superior (GrT) e inferior (GrB). La luz (rayo verde) se absorbe y se convierte en corriente eléctrica. Cuando el dispositivo absorbe la luz, los electrones (azul) saltan a un estado de mayor energía y se generan huecos (rojo) en la capa de MoS2. El movimiento de huecos y electrones creado por la diferencia de potencial electrónico entre las uniones GrT-MoS2 y GrB-MoS2 genera la corriente eléctrica. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Realmente, cuando la luz es absorbida por el dispositivo y los electrones MoS2 saltan a un estado excitado, dejan atrás los llamados agujeros. Los agujeros se comportan como cargas móviles positivas y son esencialmente posiciones dejadas vacías por electrones que absorben suficiente energía para saltar a un estado energético más alto. Otro problema del dispositivo más grueso es que los electrones y los agujeros se mueven demasiado lentamente a través de las uniones entre el grafeno y MoS2. conduciendo a su recombinación no deseada dentro de la capa MoS2.
Por estas razones, hasta el 65% de los fotones absorbidos por el dispositivo más delgado se utilizan para generar una corriente. En lugar de, la misma medición (eficiencia cuántica) es solo del 7% para el aparato MoS2 de siete capas.
"Este dispositivo es transparente, flexible y requiere menos energía que los semiconductores de silicio 3D actuales. Si la investigación futura tiene éxito, Acelerará el desarrollo de dispositivos fotoeléctricos 2D, "explica el profesor.
