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  • La synthèse du semi-conducteur pseudo-1D donne un aperçu des matériaux 2D anisotropes

    Illustration illustrant la structure moléculaire pseudo-1D du semi-conducteur et ses propriétés optiques inhabituelles, y compris l'émission de sous-bande lumineuse. Crédit :Sefaattin Tongay, Université de l'État d'Arizona

    (Phys.org)—Pour la première fois, des chercheurs ont synthétisé du tellurure de gallium semi-conducteur (GaTe) en phase monoclinique en tant que matériau pseudo-unidimensionnel (pseudo-1D). Cette nouvelle classe de matériaux est caractérisée par des chaînes d'atomes quasi-1D s'étendant dans une direction particulière le long d'une surface 2D.

    Les chercheurs, dirigé par Sefaattin Tongay, Professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Arizona State University, ont publié un article sur la première synthèse du matériau pseudo-1D GaTe dans un récent numéro de Matériaux avancés .

    "C'est la première démonstration de la synthèse de nanomatériaux anisotropes GaTe, " Tongay a dit Phys.org . "En plus de ces nouveaux efforts de synthèse, nous avons également fourni le premier aperçu atomique de la façon dont les atomes en deux dimensions s'organisent en chaînes pseudo-1D dans le plan, et étudié leurs propriétés optiques anisotropes."

    Jusque là, la recherche dans ce domaine est restée limitée, avec seulement quelques études ayant étudié le GaTe en isolant des monocouches 2D à partir de cristaux en vrac. Les travaux en cours offrent de nouvelles voies vers une synthèse à grande échelle et font allusion à de nouveaux phénomènes passionnants.

    La synthèse de GaTe sous la forme pseudo-1D a été difficile en raison de la grande anisotropie cristalline du matériau. Ici, les chercheurs ont utilisé une technique de transport physique de vapeur dans laquelle des températures élevées et des pressions basses dans un four tubulaire transforment la poudre semi-conductrice en sa forme pseudo-1D.

    Une propriété particulièrement intéressante résultant de la structure cristalline unique de la nouvelle forme de GaTe est que les chaînes atomiques divisent chaque flocon de GaTe individuel en une forme de nœud papillon composée de quatre domaines séparés avec des orientations cristallines différentes.

    Dans chacun de ces différents domaines, le matériau a une orientation de chaîne différente, résultant en un comportement anisotrope différent. Par exemple, les expériences ont révélé que l'intensité d'émission lumineuse maximale diffère selon le domaine, offrant une voie vers le développement d'applications photoniques.

    Les chercheurs ont démontré la croissance évolutive du pseudo-1D GaTe sur trois substrats différents compatibles industriellement, et a constaté que la morphologie des nanostructures de GaTe dépend fortement du substrat.

    Image optique de GaTe synthétisé sur un substrat de saphir, montrant la forme du nœud papillon. Crédit :Cai et al. ©2016 Matériaux avancés

    Par exemple, ils ont découvert que les chaînes de GaTe croissent beaucoup plus aléatoirement sur le saphir que sur le silicium et l'arséniure de gallium, avec pour résultat que les atomes de GaTe reposant sur la surface du saphir peuvent se déplacer beaucoup plus librement.

    Les nanostructures de GaTe sur saphir présentent également certains défauts qui provoquent un pic d'émission optique étroit en dessous de l'émission de bord de bande, ce qui est différent des émissions de défauts larges normalement trouvées dans les semi-conducteurs.

    Le résultat selon lequel le pseudo-1D GaTe est la seule forme connue de GaTe à émettre une luminescence brillante en dessous de la bande interdite optique peut offrir un point de départ pour l'ingénierie des défauts pour les applications optoélectroniques.

    "Je pense que la plus grande importance réside dans la découverte de l'émission multicolore, en particulier l'émission de sous-bande nette qui ne ressemble pas du tout à une émission de défaut, " a déclaré le co-auteur Hui Cai, un doctorant à l'Arizona State University. « Ces émissions peuvent provenir de bandes intermédiaires, qui a reçu beaucoup d'attention dans le ZnTeO et le CuGaS 2 mais jamais dans GaTe. Il s'agit peut-être de la première empreinte expérimentale selon laquelle des bandes intermédiaires existent également dans GaTe avec certains types de défauts."

    Les chercheurs s'attendent à ce que, compte tenu de ses propriétés optiques uniques, pseudo-1D GaTe peut avoir une variété d'applications futures.

    "En raison de l'existence d'états optiquement actifs en dessous de l'intervalle, le GaTe synthétisé peut être un candidat potentiel pour les cellules solaires à bande intermédiaire, " a déclaré Cai. "Il peut capturer des photons dans le proche infrarouge, dont l'énergie est inférieure à sa bande interdite. À côté de cette, il absorbe la lumière polarisée le long de sa direction de chaîne et est transparent à la lumière polarisée perpendiculairement à cette direction. Il a donc des applications potentielles dans les polariseurs linéaires et les photodétecteurs polarisés."

    Le nouveau matériau a également des applications potentielles pour l'industrie de la lumière polarisée.

    "Ces matériaux offrent des propriétés uniques qui relient de nombreux types de matériaux unidimensionnels, comme les nanotubes de carbone, nanofils, etc., et les matériaux 2D conventionnels tels que le graphène, MoS 2 , et GazSe, " a déclaré Tongay. " En raison de leur grande anisotropie cristalline et de leurs propriétés physiques anisotropes, ils peuvent potentiellement offrir des propriétés optiques sensibles à la polarisation, dichroïsme, supports électroniques hautement conducteurs, et une conduction thermique élevée le long de leur direction d'anisotropie. Nous prévoyons que les applications photoniques sensibles à la polarisation, émetteurs de photons uniques, et des transistors à haute mobilité électronique sont susceptibles d'émerger de ces matériaux."

    © 2016 Phys.org




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