(Phys.org) — La mention d'un matériau bidimensionnel doté d'excellentes propriétés électriques et optiques peut d'abord évoquer le graphène. Cependant, cette description correspond également à une autre classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD). Bien que les TMD en vrac aient été étudiés pendant des décennies - avant même que le graphène ne soit découvert - ce n'est que récemment qu'ils ont été isolés en monocouches. Avec les progrès récents de la caractérisation des nanomatériaux, les scientifiques ont reconnu le potentiel des TMD monocouches dans des applications telles que les LED, conversion d'énergie optique, et d'autres technologies optoélectroniques 2D.

Les TMD monocouches sont des semi-conducteurs à bande interdite directe et, pour cette raison, devraient être de bons émetteurs de lumière. Mais si loin, Les TMD monocouches n'ont émis de la lumière qu'à de faibles intensités et de faibles rendements. Et parce que la physique sous-jacente de l'émission de lumière TMD monocouche est restée insaisissable, les scientifiques ont eu du mal à apporter des améliorations.

Maintenant, une nouvelle étude réalisée par des chercheurs des départements de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie, Berkeley, et MIT, ainsi que de l'Institut des semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences à Pékin, Chine, a démontré une augmentation de l'intensité d'émission lumineuse des TMD d'un facteur 100. L'étude est publiée dans un numéro récent de Lettres nano .

"L'importance de ce travail est la démonstration et la compréhension de la modulation de la lumière par gating moléculaire et électrique, " co-auteur Sefaattin Tongay, chercheur post-doctorant à Berkeley, Raconté Phys.org . "Nous avons présenté une compréhension détaillée de la modulation observée et atteint des intensités d'émission lumineuse remarquables. Ces résultats ont un impact considérable sur le terrain, car les TMD monocouches ont un rapport surface/volume élevé et sont donc très sensibles aux conditions ambiantes. Nos résultats prouvent une compréhension détaillée des changements dans les propriétés optiques causés par l'interaction entre les molécules de gaz et les TMD monocouches. Ici, nous tirons parti de cette propriété et modulons l'émission de lumière de manière réversible jusqu'à 100 fois par de simples méthodes de déclenchement au gaz et électrique."

Contrairement au graphène, qui est un matériau organique composé uniquement d'atomes de carbone, les TMD que les scientifiques ont étudiés ici sont des matériaux inorganiques où chaque molécule est constituée d'un métal de transition et de deux chalcogénures. Leur formule chimique est MX 2 , avec des exemples courants étant MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 et WSe 2 .

Dans leurs expériences, les chercheurs ont d'abord préparé du MoS monocouche 2 des flocons de seulement 0,7 nm, ou trois atomes, épais. Puis, rendre les flocons plus sensibles aux molécules de gaz, les chercheurs ont recuit les flocons en les plaçant dans une chambre à vide à haute température. Après recuit, les flocons monocouches ont été exposés à différents types de gaz à des pressions de gaz contrôlées.

Lors de l'exposition à H 2 , O 2 , ou H 2 O et O 2 ensemble, l'intensité d'émission lumineuse des flocons de MoS2 a augmenté de 10, 35, et 100 fois, respectivement. Les chercheurs n'ont pas observé la même amélioration dans un gaz inerte (N 2 et Ar) environnement, ce qui suggère que l'effet semble être directement lié à l'interaction entre l'O 2 et H 2 O et la monocouche TMD.

Les chercheurs ont également découvert que l'effet est totalement réversible lorsque le gaz est pompé hors de la chambre, à ce moment-là, l'intensité revient immédiatement à sa valeur d'origine. Comme l'ont noté les scientifiques, l'intensité d'émission lumineuse réversible est un critère important pour diverses applications optiques. La réversibilité suggère également que l'O 2 et H 2 Les molécules d'O sont physisorbées plutôt que chimisorbées à la surface du MoS2. En tant que molécules physiquement absorbées, la structure moléculaire reste inchangée, contrairement aux molécules absorbées chimiquement.

Plus intéressant encore, les chercheurs ont découvert que tandis que MoSe 2 présente une sensibilité aux gaz similaire au MoS 2 , WSe 2 montre le comportement inverse; C'est, son intensité d'émission lumineuse diminue lors de l'exposition à O 2 et/ou H 2 O.

Ces remarques, avec des simulations, a permis aux chercheurs de proposer un mécanisme physique pour expliquer l'effet. Ils pensent que, lorsque les molécules de gaz sont physisorbées sur le MoS 2 (ou MoSe 2 ) surface, une partie des électrons libres de la surface sont transférés aux molécules de gaz, épuiser le MoS 2 (ou MoSe 2 ) de ses électrons libres. Normalement, les excitons de la surface deviendraient liés aux électrons et deviendraient des « trions » chargés négativement. Mais sans l'excès d'électrons libres, les excitons restent neutres et stables, favorisant une émission lumineuse plus intense.

"Cette [modulation] est possible pour le système que nous avons étudié en raison de sa nature bidimensionnelle, ce qui donne non seulement le rapport surface/volume maximum (donc des sites de surface maximum pour interagir avec les molécules de gaz), mais confine également les électrons dans une mesure qui améliore considérablement les interactions entre les électrons, trous et lumière, " a expliqué le coauteur Junqiao Wu, professeur à l'Université de Californie, Berkeley.

Ce mécanisme explique également pourquoi WSe2 montre le comportement inverse de MoS 2 et MoSe 2 . Le MoS 2 et MoSe 2 les surfaces ont des électrons libres en premier lieu parce qu'elles sont toutes deux des semi-conducteurs dopés de type n. WSe 2 , d'autre part, est un semi-conducteur dopé de type p et a des trous libres plutôt que des électrons. Donc pour WSe 2 , le O 2 et/ou H 2 O les molécules de gaz provoquent l'accumulation des trous, plutôt que de s'épuiser, sur le WS 2 surface. Par conséquent, le WS 2 contient encore plus de trions qu'avant d'être exposé aux molécules de gaz, ce qui diminue son intensité d'émission lumineuse.

Les chercheurs ont également démontré une modulation d'émission de lumière similaire dans des dispositifs à déclenchement électrique dans un environnement gazeux contrôlé. Cependant, la modulation dans ce cas était négligeable lorsque l'appareil fonctionnait dans des conditions de vide. La découverte suggère que le déclenchement électrique peut également moduler l'émission de lumière en contrôlant la physisorption du gaz sur les TMD monocouches.

La capacité de contrôler de manière réversible l'intensité d'émission lumineuse des TMD semi-conducteurs en contrôlant la pression du gaz et le déclenchement électrique pourrait avoir des effets de grande envergure pour les domaines de la physique de la matière condensée, optique, science et ingénierie des matériaux, et électronique. Les chercheurs prédisent que, avec la nouvelle compréhension de la façon dont l'interaction entre le gaz et les TMD monocouches affecte les propriétés optiques des TMD, d'autres améliorations de l'intensité d'émission lumineuse peuvent être obtenues. Par exemple, expérimenter différentes molécules de gaz, modifier la surface de la monocouche avec des agents chimiques qui augmentent la sensibilité aux molécules de gaz, et créer intentionnellement des défauts ponctuels dans la monocouche pour favoriser la physisorption pourrait encore améliorer l'intensité d'émission lumineuse, rendant les TMD monocouches encore plus adaptés aux applications optoélectroniques.

À l'avenir, les chercheurs prévoient de travailler sur le développement de nouveaux matériaux aux caractéristiques inhabituelles en manipulant leurs propriétés physiques, comme ils l'ont fait ici.

"Nous étudierons les effets de toute imperfection en général dans de tels semi-conducteurs bidimensionnels, y compris les défauts atomiques, effets de substrat, ainsi que les interactions avec les adsorbats moléculaires, " a déclaré Wu.

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