Lorsque les scientifiques enlèvent des atomes individuels dans un matériau semi-conducteur, les lacunes résultantes deviennent des défauts ponctuels. Contrairement à ce que leur nom laisse entendre, ces défauts peuvent avoir des effets bénéfiques sur les propriétés du semi-conducteur et activer la plupart des fonctionnalités des matériaux électroniques. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont démontré que les défauts ponctuels dans les semi-conducteurs 2D entraînent une augmentation de l'intensité globale de la photoluminescence à température ambiante. Plus loin, les défauts créent un nouveau pic d'émission qui pourrait conduire à une meilleure compréhension de la physique des défauts dans les semi-conducteurs 2D ainsi que des applications futures telles que les dispositifs électroluminescents multicolores.

Les chercheurs, dirigé par Sefaattin Tongay, Joonki Suh, et J. Wu, à l'Université de Californie, Berkeley, l'Académie chinoise des sciences à Pékin, et MIT, ont publié leur article sur les effets des défauts ponctuels sur les semi-conducteurs 2D dans un récent numéro de Nature's Rapports scientifiques .

"Typiquement, les défauts de matériaux sont considérés comme quelque chose de non désiré, " Tongay a dit Phys.org . "Au contraire, la plupart des fonctionnalités des matériaux sont permises par diverses imperfections telles que les défauts. Dans ce travail, nous montrons que l'ingénierie des défauts dans les matériaux bidimensionnels nous permet de créer un autre canal d'émission lumineuse et également d'améliorer l'émission lumineuse.

"C'est probablement une étape importante dans le domaine. Nous, les scientifiques, ne savions pas comment observer les défauts par des méthodes optiques, et ici nous avons trouvé les premières signatures de défauts dans les semi-conducteurs 2D. C'est excitant. Apparemment, les défauts sont un autre moyen d'ajuster/activer les propriétés du matériau à la demande."

Alors que la physique des défauts ponctuels dans les semi-conducteurs 3D a été largement étudiée, on en sait beaucoup moins sur les défauts ponctuels dans les semi-conducteurs 2D plus récemment développés. Les systèmes électroniques de faible dimension sont très sensibles au désordre et aux imperfections. Dans les semi-conducteurs 2D, cette propension devrait fortement influencer les processus électroniques et excitoniques. Un de ces types de semi-conducteurs 2D nouvellement émergents est les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) monocouches. Parce que les TMD ont des bandes interdites directes, ce qui signifie que les électrons peuvent émettre directement des photons, ce sont des matériaux luminescents prometteurs.

Ici, les scientifiques ont découvert que l'élimination des atomes de chalcogène (soufre) d'un échantillon de 0,7 nm d'épaisseur du TMD MoS 2 modifie considérablement ses propriétés optiques. Au fur et à mesure que le nombre de défauts dans le matériau augmente, la luminosité globale de la lumière émise par le matériau augmente. Cette lumière a un pic de photoluminescence à 1,90 eV, qui détermine sa longueur d'onde et sa couleur. Mais les défauts ont également créé un nouveau pic de photoluminescence à 1,78 eV.

Les scientifiques ont découvert que ce pic d'énergie plus faible domine le spectre de photoluminescence à basse température, et s'affaiblit à mesure que la température augmente jusqu'à disparaître complètement au-dessus de 250 K (-23 °C). Cependant, à température ambiante, la présence de tels défauts augmente l'émission lumineuse. Ce constat va à l'encontre des idées reçues dans le nouveau domaine des semi-conducteurs 2D, qui a été que l'intensité d'émission optique à température ambiante est un critère suffisant pour évaluer la qualité cristalline des semi-conducteurs 2D ; les résultats suggèrent ici que les évaluations de la qualité des cristaux devraient impliquer des mesures de photoluminescence à basse température.

Les scientifiques ont également démontré que les défauts de lacunes ont des effets similaires sur les propriétés optiques de deux autres TMD, MoSe 2 et WSe 2 . Ces résultats indiquent que les effets des défauts ponctuels sont probablement universels dans d'autres semi-conducteurs 2D, également.

Les chercheurs proposent que le mécanisme sous-jacent de ces effets dépend de l'interaction des sites défectueux avec l'azote gazeux dans l'air. Dans le vide, les défauts n'ont eu aucun effet sur les propriétés optiques des TMD. Les scientifiques expliquent que N 2 les molécules dans l'air peuvent drainer les électrons libres du matériau au niveau des sites défectueux, ce qui se traduit par une plus grande proportion d'excitons libres (électrons liés aux trous) dans le matériau. Une partie des excitons libres est alors piégée et liée par les lacunes du défaut, formant des excitons liés. Finalement, les excitons libres et liés se recombinent radiativement et produisent deux pics d'émission lumineuse distincts à 1,90 eV (~650 nm) et 1,78 eV (~700 nm), respectivement.

Puisque les chercheurs peuvent créer ces défauts par irradiation ou recuit thermique, la densité des défauts et les changements qui en résultent dans les propriétés optiques du matériau peuvent être contrôlés via l'ingénierie des défauts. Cette capacité pourrait conduire à la production de semi-conducteurs 2D avec de multiples bandes interdites, dispositifs d'émission de lumière multicolores, et capteurs optiques de gaz, entre autres applications.

"Avec un design intelligent, les semi-conducteurs 2D à défauts ponctuels présentent potentiellement de meilleures performances de matériaux, qui peut être réalisé en découvrant la physique des défauts dans les systèmes 2D, " dit Suh. " C'est le but ultime de notre équipe ! "

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