Avec la sonde Campanile, l'excitation optique et la collecte sont spatialement confinées à l'espace nanométrique au sommet de la pointe, qui est balayé sur l'échantillon, l'enregistrement d'un spectre d'émission complet à chaque position. Crédit :James Schuck, Laboratoire de Berkeley
Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont utilisé une sonde nano-optique unique pour étudier les effets de l'éclairage sur les semi-conducteurs bidimensionnels au niveau moléculaire. Travaillant à la Fonderie Moléculaire, une installation utilisateur du DOE Office of Science, l'équipe scientifique a utilisé la sonde " Campanile " qu'elle a développée pour faire des découvertes surprenantes sur le bisulfure de molybdène, un membre d'une famille de semi-conducteurs, appelés « dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), dont les propriétés optoélectroniques sont très prometteuses pour les futurs dispositifs nanoélectroniques et photoniques.
"La résolution remarquable de la sonde Campanile nous a permis d'identifier une hétérogénéité optoélectronique nanométrique significative dans les régions intérieures des cristaux monocouches de bisulfure de molybdène, et un imprévu, environ 300 nanomètres de large, région marginale énergétiquement désordonnée, " dit James Schuck, membre du personnel scientifique de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. Schuck a dirigé cette étude ainsi que l'équipe qui a créé la sonde Campanile, qui a remporté un prestigieux prix R&D 100 en 2013 pour avoir combiné les avantages de la microscopie à balayage/sonde et de la spectroscopie optique.
"Cette région périphérique désordonnée, qui n'a jamais été vu auparavant, pourrait être extrêmement important pour tous les appareils dans lesquels on veut établir des contacts électriques, " dit Schuck. " Cela pourrait également s'avérer critique pour les applications de conversion optique photocatalytique et non linéaire. "
Schuck, qui dirige l'Installation Imagerie et Manipulation des Nanostructures à la Fonderie Moléculaire, est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans Communication Nature . L'article s'intitule "Visualisation des propriétés de relaxation excitonique à l'échelle nanométrique des bords désordonnés et des joints de grains dans le disulfure de molybdène monocouche". Les co-auteurs principaux sont Wei Bao et Nicholas Borys. (Voir ci-dessous pour une liste complète des auteurs.)
Les 2D-TMDC rivalisent avec le graphène en tant que successeurs potentiels du silicium pour la prochaine génération d'électronique à grande vitesse. Une seule molécule d'épaisseur, Les matériaux 2D-TMDC offrent une efficacité énergétique supérieure et une capacité à transporter des densités de courant beaucoup plus élevées que le silicium. Cependant, depuis leur "découverte" expérimentale en 2010, les performances des matériaux 2D-TMDC sont loin des attentes théoriques, principalement en raison d'un manque de compréhension des propriétés 2D-TMDC à l'échelle nanométrique, en particulier leurs propriétés excitoniques. Les excitons sont des paires liées d'électrons et de trous excités qui permettent aux semi-conducteurs de fonctionner dans les dispositifs.
La comparaison entre l'image du flocon MoS2 capturée avec la sonde Campanile et l'image du même flocon capturée avec la microscopie confocale à balayage montre la résolution améliorée de la sonde Campanile.
"La mauvaise compréhension de l'excitonique 2D-TMDC et d'autres propriétés à l'échelle nanométrique est en grande partie due aux contraintes existantes sur l'imagerie nanospectroscopique, " dit Schuck. " Avec notre sonde Campanile, nous surmontons presque toutes les limitations précédentes de la microscopie en champ proche et sommes capables de cartographier les propriétés et les processus chimiques et optiques critiques à leurs échelles de longueur natives."
La sonde Campanile, qui tire son nom de l'emblématique tour de l'horloge « Campanile » sur le campus de l'Université de Californie à Berkeley, dispose d'un fuselé, pointe microscopique à quatre côtés montée à l'extrémité d'une fibre optique. Deux des côtés du Campanile sont recouverts d'or et les deux couches d'or sont séparées de quelques nanomètres à la pointe. La conception conique permet à la sonde Campanile de canaliser la lumière de toutes les longueurs d'onde dans un champ amélioré au sommet de la pointe. La taille de l'écart entre les couches d'or détermine la résolution, qui peut être inférieure à la limite optique de diffraction.
Dans leur nouvelle étude, Schuck, Bao, Borys et leurs co-auteurs ont utilisé la sonde Campanile pour cartographier par spectroscopie les processus d'état excité/de relaxation à l'échelle nanométrique dans des cristaux monocouches de bisulfure de molybdène qui ont été développés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le bisulfure de molybdène est un semi-conducteur 2D qui présente une conductance électrique élevée comparable à celle du graphène, mais, contrairement au graphène, a des bandes interdites d'énergie naturelle, ce qui signifie que sa conductance peut être désactivée.
"Notre étude a révélé une hétérogénéité optoélectronique à l'échelle nanométrique et nous a permis de quantifier les phénomènes d'extinction des excitons aux joints de grains cristallins, " a déclaré Schuck. " La découverte de la région de bord désordonnée constitue un changement de paradigme par rapport à l'idée que seul un état de bord métallique 1D est responsable de toute la physique et de la photochimie liées aux bords observées dans les TMDC 2D. Ce qui se passe sur les bords des cristaux 2D-TMDC est clairement plus compliqué que cela. Il y a une région désordonnée mésoscopique qui domine probablement la plupart des transports, optique non linéaire, et le comportement photocatalytique près des bords des 2D-TMDC cultivés par CVD."
Dans cette étude, Schuck et ses collègues ont également découvert que la région marginale désordonnée des cristaux de bisulfure de molybdène contient une carence en soufre qui a des implications pour les futures applications optoélectroniques de ce 2D-TMDC.
"Moins de soufre signifie que plus d'électrons libres sont présents dans cette région périphérique, ce qui pourrait conduire à une recombinaison non radiative améliorée, " dit Schuck. " La recombinaison non radiative améliorée signifie que les excitons créés près d'une lacune de soufre vivraient pendant une période beaucoup plus courte. "
Schuck et ses collègues prévoient d'étudier ensuite les propriétés excitoniques et électroniques qui peuvent survenir, ainsi que la création de jonctions p-n et de puits quantiques, lorsque deux types disparates de TMDC sont connectés
"Nous combinons également des matériaux 2D-TMDC avec des surfaces dites méta pour contrôler et manipuler les états de vallée et les émetteurs circulaires qui existent au sein de ces systèmes, ainsi que l'exploration d'états quantiques localisés qui pourraient agir comme des émetteurs de photons uniques presque idéaux et des états Qubit intriqués quantiques, " dit Schuck.
