Los materiales bidimensionales son una especie de fenómeno novato en la comunidad científica. Son atómicamente delgados y pueden exhibir propiedades electrónicas y basadas en la luz radicalmente diferentes a las más gruesas, formas más convencionales, por lo que los investigadores están acudiendo en masa a este campo incipiente para encontrar formas de aprovechar estos rasgos exóticos.

Las aplicaciones para materiales 2-D van desde componentes de microchip hasta paneles solares y pantallas de visualización flexibles y superfinos, entre una lista creciente de posibles usos. Pero debido a que su estructura fundamental es intrínsecamente pequeña, pueden ser difíciles de fabricar y medir, y combinar con otros materiales. Por tanto, aunque la I + D de materiales 2-D va en aumento, todavía hay muchas incógnitas sobre cómo aislar, mejorar, y manipular sus cualidades más deseables.

Ahora, Un equipo científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley) del Departamento de Energía ha medido con precisión algunas propiedades del sulfuro de molibdeno anteriormente oscurecidas, un material semiconductor 2-D también conocido como disulfuro de molibdeno o MoS2. El equipo también reveló un poderoso mecanismo de sintonización y una interrelación entre su electrónica y óptica, o relacionado con la luz, propiedades.

Para incorporar mejor este tipo de materiales monocapa en dispositivos electrónicos, los ingenieros quieren conocer la "banda prohibida, "que es el nivel mínimo de energía que se necesita para alejar los electrones de los átomos a los que están acoplados, para que fluyan libremente a través del material como la corriente eléctrica fluye a través de un alambre de cobre. Suministrar suficiente energía a los electrones mediante la absorción de luz, por ejemplo, convierte el material en un estado eléctricamente conductor.

Como se informó en la edición del 25 de agosto de Cartas de revisión física , Los investigadores midieron la banda prohibida para una monocapa de sulfuro de molibdeno, que ha resultado difícil de predecir teóricamente con precisión, y descubrió que era aproximadamente un 30 por ciento más alto de lo esperado según experimentos anteriores. También cuantificaron cómo cambia la banda prohibida con la densidad de electrones, un fenómeno conocido como "renormalización de banda prohibida".

"El significado más importante de este trabajo fue encontrar la banda prohibida, "dijo Kaiyuan Yao, un investigador estudiante de posgrado en Berkeley Lab y la Universidad de California, Berkeley, quien se desempeñó como autor principal del artículo de investigación.

"Eso proporciona una guía muy importante para todos los ingenieros de dispositivos optoelectrónicos. Necesitan saber cuál es la banda prohibida" para conectar correctamente el material 2-D con otros materiales y componentes en un dispositivo, Dijo Yao.

La obtención de la medición de la banda prohibida directa se ve desafiada por el llamado "efecto excitón" en materiales 2-D que se produce por un fuerte emparejamiento entre electrones y "huecos" de electrones - posiciones vacías alrededor de un átomo donde puede existir un electrón. La fuerza de este efecto puede enmascarar las mediciones de la banda prohibida.

Nicolás Borys, un científico del proyecto en la Fundición Molecular de Berkeley Lab que también participó en el estudio, dijo que el estudio también resuelve cómo ajustar las propiedades ópticas y electrónicas en un material 2-D.

"El verdadero poder de nuestra técnica, y un hito importante para la comunidad de la física, es discernir entre estas propiedades ópticas y electrónicas, "Dijo Borys.

El equipo utilizó varias herramientas en Molecular Foundry, una instalación abierta a la comunidad científica y especializada en la creación y exploración de materiales a nanoescala.

La técnica de Fundición Molecular que los investigadores adaptaron para su uso en el estudio del sulfuro de molibdeno monocapa, conocida como espectroscopia de excitación por fotoluminiscencia (PLE), promete poner a su alcance nuevas aplicaciones para el material, como biosensores ultrasensibles y transistores más pequeños, y también se muestra prometedor para identificar y manipular propiedades de manera similar en otros materiales 2-D, dijeron los investigadores.

El equipo de investigación midió las señales de excitón y banda prohibida, y luego desenreda estas señales separadas. Los científicos observaron cómo la luz era absorbida por los electrones en la muestra de sulfuro de molibdeno mientras ajustaban la densidad de los electrones apiñados en la muestra cambiando el voltaje eléctrico en una capa de silicio cargado que se encontraba debajo de la monocapa de sulfuro de molibdeno.

Los investigadores notaron un ligero "aumento" en sus mediciones que se dieron cuenta de que era una medición directa de la banda prohibida, ya través de una gran cantidad de otros experimentos, usó su descubrimiento para estudiar cómo la banda prohibida se sintonizaba fácilmente simplemente ajustando la densidad de electrones en el material.

"El alto grado de sintonía realmente abre los ojos a las personas, "dijo P. James Schuck, quien fue director de la instalación de Imágenes y Manipulación de Nanoestructuras en Molecular Foundry durante este estudio.

"Y como pudimos ver el borde de la banda prohibida y los excitones simultáneamente, podríamos entender cada uno de forma independiente y también entender la relación entre ellos, "dijo Schuck, ahora en la Universidad de Columbia. "Resulta que todas estas propiedades dependen unas de otras".

Sulfuro de molibdeno, Schuck también señaló, es "extremadamente sensible a su entorno local, "lo que lo convierte en un candidato ideal para su uso en una variedad de sensores. Debido a que es altamente sensible a los efectos ópticos y electrónicos, podría traducir la luz entrante en señales electrónicas y viceversa.

Schuck dijo que el equipo espera utilizar un conjunto de técnicas en Molecular Foundry para crear otros tipos de materiales monocapa y muestras de capas bidimensionales apiladas. y para obtener mediciones de banda prohibida definitivas para estos, también. "Resulta que nadie conoce todavía las diferencias entre bandas para algunos de estos otros materiales, " él dijo.

El equipo también tiene experiencia en el uso de una sonda a nanoescala para mapear el comportamiento electrónico en una muestra determinada.

Borys agregado, "Ciertamente esperamos que este trabajo siembre más estudios sobre otros sistemas semiconductores 2-D".

Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que brinda acceso gratuito a equipos de última generación y experiencia multidisciplinaria en ciencia a nanoescala a los científicos visitantes.

Investigadores del Instituto Kavli Energy NanoSciences en UC Berkeley y Berkeley Lab, y de la Universidad Estatal de Arizona también participaron en este estudio, que fue apoyado por la National Science Foundation.