Para proteger los dicalcogenuros de metales de transición semiconductores monocapa (S-TMD) de la oxidación, deben estar completamente protegidos de la luz, incluso con una exposición corta que causa una oxidación lo suficientemente severa como para dañar los contactos eléctricos y destruir completamente las características ópticas.

Un nuevo La colaboración liderada por la Universidad de Monash ha demostrado que la oxidación de monocapas de disulfuro de tungsteno (WS2) en condiciones ambientales se debe a la absorción de longitudes de onda visibles de luz.

El nuevo trabajo en colaboración con investigadores de EE. UU. Laboratorio de Investigaciones Navales y Universidad Autónoma de Madrid, informa a los investigadores que trabajan en el campo sobre la naturaleza fotosensible hasta ahora no apreciada de estos materiales, y más importante, actúa como guía para evitar completamente la oxidación en muestras expuestas a condiciones ambientales.

"Este trabajo debe guiar a los investigadores en las mejores prácticas para la fabricación de dispositivos S-TMD, "dice el autor principal, Sr. Jimmy Kotsakidis.

Si bien ya se sabe que se produce la oxidación de dicalcogenuros de metales de transición semiconductores monocapa (S-TMD) en condiciones ambientales, el mecanismo detrás de esto no ha sido claro.

El nuevo estudio muestra por primera vez que la oxidación del S-TMD WS2 en condiciones ambientales requiere luz de longitud de onda adecuada:la oxidación es causada por luz lo suficientemente energética como para causar transiciones electrónicas en el WS2, es decir, la oxidación observada en condiciones ambientales es fotoinducida. Los investigadores postulan que esto sucede a través de dos mecanismos plausibles, Förster transferencia de energía por resonancia (FRET) y fotocatálisis. Debido a la química similar de los S-TMD, se cree que este mismo efecto debería ser observable en MoS2 y otros S-TMD en la misma familia de materiales.

Longitudes de onda de luz a 660 nm o menos (es decir, longitudes de onda visibles) oxida significativamente WS2. A diferencia de, las muestras no se oxidaron si se expusieron a luz de 760 nm (con muy poca energía fotónica para excitar las transiciones electrónicas en WS2), o fueron almacenados en la oscuridad (10 meses), o en una atmósfera de nitrógeno iluminada con luz (7 días).

"Este importante efecto [fotooxidación] se ha pasado por alto en los S-TMD desde que comenzaron los estudios de oxidación alrededor de 1955. Por lo tanto, Creemos que estos nuevos hallazgos tendrán implicaciones significativas para los regalo, y estudios futuros sobre S-TMD medidos, almacenado o manipulado en condiciones ambientales, "Dice el señor Kotsakidis.

Dicalcogenuros de metales de transición atómicamente delgados como WS2, han despertado mucho interés durante la última década debido a sus extraordinarias propiedades ópticas y eléctricas y, por lo tanto, posible uso en futuros dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.

Este nuevo trabajo informa a los investigadores que trabajan en el campo sobre la naturaleza fotosensible hasta ahora no apreciada de estos materiales. y más importante, actúa como guía para evitar completamente la oxidación en muestras expuestas a condiciones ambientales. Si bien estudios anteriores han encontrado que los S-TMD monocapa pueden tardar semanas en oxidarse visiblemente, Este trabajo muestra que esto puede suceder en tan solo 7 días, incluso en condiciones de luz ultrabaja.

"Comprender la estabilidad de los S-TMD en condiciones ambientales y con iluminación de luz, crucial para las mediciones y manipulaciones realizadas en esas condiciones, es esencial para su desarrollo en aplicaciones potenciales, "dice el coautor, el profesor Michael Fuhrer.

Los investigadores estudiaron monocapas del dicalcogenuro de metal de transición semiconductor (S-TMD) WS2 desarrollado por deposición química de vapor (CVD). Las muestras se expusieron a cantidades controladas de luz, y luego caracterizados mediante microscopía óptica, microscopía confocal de barrido láser (LSCM), espectroscopía de fotoluminiscencia (PL), y microscopía de fuerza atómica (AFM).

Los investigadores encontraron que la monocapa WS2 expuesta a condiciones ambientales en presencia de luz ambiental exhibía daños debido a la oxidación que podrían detectarse con LSCM y AFM. aunque no fue evidente en la microscopía óptica convencional debido a un contraste y una resolución más deficientes.

El estudio observó que esta oxidación no fue aleatoria y se correlacionó con alta simetría, bordes de alta intensidad y áreas desplazadas al rojo en el mapa de espectroscopía PL:áreas que se cree que contienen una mayor concentración de vacantes de azufre.

A diferencia de, las muestras mantenidas en la oscuridad no mostraron signos de oxidación hasta por 10 meses.

Luego, los investigadores realizaron exposiciones controladas a luz de muy baja irradiancia en diferentes longitudes de onda durante largos períodos de tiempo. La baja intensidad aseguró que cualquier daño no se debiera al calentamiento de la luz. Descubrieron que las muestras expuestas a la luz con suficiente energía fotónica para excitar WS2 mostraban oxidación, mientras que las energías de los fotones por debajo de este umbral no oxidaron WS2. Esta fuerte dependencia de la longitud de onda y la aparente falta de dependencia de la irradiancia sugieren que la oxidación ambiental de WS2 se inicia por transiciones de bandas electrónicas mediadas por fotones. es decir, fotooxidación.