Il s'agit d'une illustration d'une hétérostructure MoS2/WS2 avec une monocouche de MoS2 reposant sur une monocouche WS2. Les électrons et les trous créés par la lumière se séparent en différentes couches. Crédit :groupe Feng Wang, Laboratoire de Berkeley/UC Berkeley
(Phys.org) – Un nouvel argument vient d'être ajouté aux arguments croissants selon lesquels le graphène est éjecté de son piédestal comme la prochaine grande chose dans le monde de la haute technologie par les semi-conducteurs bidimensionnels connus sous le nom de matériaux MX2. Une collaboration internationale de chercheurs dirigée par un scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) a rapporté la première observation expérimentale de transfert de charge ultrarapide dans des matériaux MX2 photo-excités. Le temps de transfert de charge enregistré cadencé à moins de 50 femtosecondes, comparable aux temps les plus rapides enregistrés pour le photovoltaïque organique.
« Nous avons démontré, pour la première fois, transfert de charge efficace dans les hétérostructures MX2 grâce à une cartographie de photoluminescence combinée et des mesures d'absorption transitoire, " dit Feng Wang, un physicien de la matière condensée à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et au département de physique de l'Université de Californie (UC) Berkeley. "Ayant déterminé quantitativement un temps de transfert de charge inférieur à 50 femtosecondes, notre étude suggère que les hétérostructures MX2, avec leurs propriétés électriques et optiques remarquables et le développement rapide de la synthèse à grande surface, sont très prometteurs pour les futures applications photoniques et optoélectroniques."
Wang est l'auteur correspondant d'un article en Nature Nanotechnologie décrivant cette recherche. L'article s'intitule "Transfert de charge ultrarapide dans les hétérostructures MoS2/WS2 atomiquement minces". Les co-auteurs sont Xiaoping Hong, Jonghwan Kim, Su Fei Shi, Yu Zhang, Chenhao Jin, Soleil Yinghui, Sefaattin Tongay, Junqiao Wu et Yanfeng Zhang.
Les monocouches MX2 sont constituées d'une seule couche d'atomes de métaux de transition, comme le molybdène (Mo) ou le tungstène (W), pris en sandwich entre deux couches d'atomes de chalcogène, comme le soufre (S). L'hétérostructure résultante est liée par l'attraction intermoléculaire relativement faible connue sous le nom de force de van der Waals. Ces semi-conducteurs 2D présentent la même structure hexagonale "en nid d'abeille" que le graphène et une conductance électrique ultrarapide, mais, contrairement au graphène, ils ont des bandes interdites d'énergie naturelle. Cela facilite leur application dans les transistors et autres appareils électroniques car, contrairement au graphène, leur conductance électrique peut être coupée.
Feng Wang est physicien de la matière condensée à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et au département de physique de l'UC Berkeley. Crédit :Roy Kaltschmidt, Laboratoire de Berkeley
"La combinaison de différentes couches MX2 permet de contrôler leurs propriétés physiques, " dit Wang, qui est également chercheur au Kavli Energy NanoSciences Institute (Kavli-ENSI). "Par exemple, la combinaison de MoS2 et WS2 forme un semi-conducteur de type II qui permet une séparation rapide des charges. La séparation des électrons et des trous photoexcités est essentielle pour conduire un courant électrique dans un photodétecteur ou une cellule solaire."
En démontrant les capacités de séparation de charge ultrarapide d'échantillons atomiquement minces d'hétérostructures MoS2/WS2, Wang et ses collaborateurs ont ouvert de nouvelles avenues potentiellement riches, non seulement pour la photonique et l'optoélectronique, mais aussi pour le photovoltaïque.
"Les semi-conducteurs MX2 ont des propriétés d'absorption optique extrêmement fortes et comparés aux matériaux photovoltaïques organiques, ont une structure cristalline et de meilleures propriétés de transport électrique, " dit Wang. " Le facteur dans un taux de transfert de charge femtoseconde et les semi-conducteurs MX2 fournissent un moyen idéal pour séparer spatialement les électrons et les trous pour la collecte et l'utilisation électriques. "
La cartographie de la photoluminescence d'une hétérostructure MoS2/WS2 avec l'échelle de couleurs représentant l'intensité de la photoluminescence montre une forte extinction de la photoluminescence MoS2. Crédit :groupe Feng Wang
Wang et ses collègues étudient les origines microscopiques du transfert de charge dans les hétérostructures MX2 et la variation des taux de transfert de charge entre différents matériaux MX2.
"Nous sommes également intéressés par le contrôle du processus de transfert de charge avec des champs électriques externes comme moyen d'utiliser les hétérostructures MX2 dans les dispositifs photovoltaïques, " dit Wang.
