Schéma d'un faisceau laser énergisant un semi-conducteur monocouche constitué de bisulfure de molybdène (MoS2). Les points rougeoyants sont des particules excitées par le laser. Crédit :Der-Hsien Lien
Une classe émergente de matériaux atomiquement minces connus sous le nom de semi-conducteurs monocouches a généré beaucoup de buzz dans le monde de la science des matériaux. Les monocouches sont prometteuses dans le développement d'écrans LED transparents, cellules solaires à ultra haut rendement, photodétecteurs et transistors nanométriques. Leur inconvénient ? Les films sont notoirement criblés de défauts, tuer leur performance.
Mais maintenant une équipe de recherche, dirigé par des ingénieurs de l'Université de Californie, Berkeley, et Lawrence Berkeley National Laboratory, a trouvé un moyen simple de corriger ces défauts grâce à l'utilisation d'un superacide organique. Le traitement chimique a conduit à une augmentation spectaculaire de 100 fois du rendement quantique de photoluminescence du matériau, un rapport décrivant la quantité de lumière générée par le matériau par rapport à la quantité d'énergie injectée. Plus l'émission de lumière est importante, plus le rendement quantique est élevé et meilleure est la qualité du matériau.
Les chercheurs ont amélioré le rendement quantique du bisulfure de molybdène, ou MoS2, de moins de 1 pour cent jusqu'à 100 pour cent en trempant le matériau dans un superacide appelé bistriflimide, ou TFSI.
leurs découvertes, à paraître dans le numéro du 27 novembre de Science , ouvre la porte à l'application pratique des matériaux monocouches, tels que MoS2, dans les dispositifs optoélectroniques et les transistors hautes performances. Le MoS2 n'a que sept dixièmes de nanomètre d'épaisseur. En comparaison, un brin d'ADN humain mesure 2,5 nanomètres de diamètre.
Un semi-conducteur monocouche MoS2 façonné dans un logo Cal. L'image de gauche montre le matériau avant qu'il ne soit traité au superacide. A droite se trouve la monocouche après traitement. Les chercheurs ont pu obtenir une amélioration de deux ordres de grandeur de la lumière émise avec le traitement au superacide. Crédit :Image de Matin Amani
"Traditionnellement, plus le matériau est fin, plus il est sensible aux défauts, " a déclaré le chercheur principal Ali Javey, UC Berkeley professeur de génie électrique et d'informatique et chercheur au Berkeley Lab. "Cette étude présente la première démonstration d'une monocouche optoélectroniquement parfaite, ce qui était auparavant du jamais vu dans un matériau aussi fin."
Les chercheurs se sont tournés vers les superacides parce que, par définition, ce sont des solutions avec une propension à "donner" des protons, souvent sous forme d'atomes d'hydrogène, à d'autres substances. Cette réaction chimique, appelé protonation, a pour effet de combler les atomes manquants à l'emplacement des défauts ainsi que d'éliminer les contaminants indésirables collés à la surface, les chercheurs ont dit.
Les co-auteurs principaux de l'article sont UC Berkeley Ph.D. l'étudiant Matin Amani, doctorant en visite l'étudiant Der-Hsien Lien et le boursier postdoctoral Daisuke Kiriya.
Ils ont noté que les scientifiques ont recherché des semi-conducteurs monocouches en raison de leur faible absorption de la lumière et de leur capacité à résister aux torsions, courbures et autres formes extrêmes de déformation mécanique, qui peuvent permettre leur utilisation dans des dispositifs transparents ou flexibles.
Ali Javey, professeur UC Berkeley au College of Engineering, et les chercheurs de son laboratoire ont trouvé un moyen d'éliminer les défauts des semi-conducteurs monocouches atomiquement minces. Montré, de gauche à droite, sont Javey, Matin Amani, Der-Hsien Lien et Daisuke Kiriya. Crédit :Hiroki Ota
MoS2, Plus précisément, est caractérisé par des couches moléculaires maintenues ensemble par les forces de van der Waals, un type de liaison atomique entre chaque couche qui est atomiquement pointu. Un avantage supplémentaire d'avoir un matériau si fin est qu'il est hautement accordable électriquement. Pour les applications telles que les écrans LED, cette fonctionnalité peut permettre de fabriquer des dispositifs où un seul pixel pourrait émettre une large gamme de couleurs plutôt qu'une seule en faisant varier la quantité de tension appliquée.
Les auteurs principaux ont ajouté que l'efficacité d'une LED est directement liée au rendement quantique de photoluminescence, donc, en principe, on pourrait développer des écrans LED hautes performances qui sont transparents lorsqu'ils sont éteints et flexibles en utilisant les monocouches optoélectroniques "parfaites" produites dans cette étude.
Ce traitement a également un potentiel révolutionnaire pour les transistors. À mesure que les composants des puces informatiques deviennent de plus en plus petits et minces, les défauts jouent un plus grand rôle dans la limitation de leurs performances.
"The defect-free monolayers developed here could solve this problem in addition to allowing for new types of low-energy switches, " said Javey.
