Ce diagramme montre un échantillon triangulaire de sulfure de molybdène monocouche (bleu foncé) sur des couches à base de silicium (bleu clair et vert) au cours d'une technique expérimentale connue sous le nom de spectroscopie d'excitation par photoluminescence. Crédit :Berkeley Lab
Les matériaux bidimensionnels sont une sorte de phénomène débutant dans la communauté scientifique. Ils sont atomiquement minces et peuvent présenter des propriétés électroniques et lumineuses radicalement différentes de celles plus épaisses, formes plus conventionnelles, les chercheurs affluent donc vers ce domaine naissant pour trouver des moyens d'exploiter ces traits exotiques.
Les applications pour les matériaux 2D vont des composants de micropuce aux panneaux solaires et écrans d'affichage ultrafins et flexibles, parmi une liste croissante d'utilisations possibles. Mais parce que leur structure fondamentale est intrinsèquement minuscule, ils peuvent être délicats à fabriquer et à mesurer, et à assortir avec d'autres matériaux. Ainsi, alors que la R&D sur les matériaux 2D est à la hausse, il y a encore beaucoup d'inconnues sur la façon d'isoler, améliorer, et manipuler leurs qualités les plus désirables.
Maintenant, une équipe scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a mesuré avec précision certaines propriétés auparavant obscurcies du sulfure de molybdène, un matériau semi-conducteur 2-D également connu sous le nom de bisulfure de molybdène ou MoS2. L'équipe a également révélé un puissant mécanisme de réglage et une interrelation entre ses composants électroniques et optiques, ou liés à la lumière, Propriétés.
Pour incorporer au mieux ces matériaux monocouches dans les appareils électroniques, les ingénieurs veulent connaître la "bande interdite, " qui est le niveau d'énergie minimum nécessaire pour éloigner les électrons des atomes auxquels ils sont couplés, de sorte qu'ils circulent librement à travers le matériau comme le courant électrique circule à travers un fil de cuivre. Fournir une énergie suffisante aux électrons en absorbant la lumière, par exemple, convertit le matériau dans un état électriquement conducteur.
Comme indiqué dans le numéro du 25 août de Lettres d'examen physique , les chercheurs ont mesuré la bande interdite pour une monocouche de sulfure de molybdène, qui s'est avéré difficile à prédire avec précision théoriquement, et a trouvé qu'il était environ 30 pour cent plus élevé que prévu sur la base des expériences précédentes. Ils ont également quantifié comment la bande interdite change avec la densité électronique - un phénomène connu sous le nom de "renormalisation de la bande interdite".
"La signification la plus critique de ce travail était de trouver la bande interdite, " dit Kaiyuan Yao, un étudiant chercheur diplômé au Berkeley Lab et à l'Université de Californie, Berkeley, qui a été l'auteur principal du document de recherche.
De gauche à droite :Kaiyuan Yao, Nick Borys, et P. James Schuck, vu ici à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, mesuré une propriété dans un matériau 2D qui pourrait aider à réaliser de nouvelles applications. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
"Cela fournit des conseils très importants à tous les ingénieurs de dispositifs optoélectroniques. Ils doivent savoir quelle est la bande interdite" afin de connecter correctement le matériau 2-D avec d'autres matériaux et composants dans un dispositif, dit Yao.
L'obtention de la mesure directe de la bande interdite est contestée par ce que l'on appelle "l'effet exciton" dans les matériaux 2-D qui est produit par un fort appariement entre les électrons et les "trous" électroniques ¬- positions vacantes autour d'un atome où un électron peut exister. La force de cet effet peut masquer les mesures de la bande interdite.
Nicolas Borys, un scientifique du projet à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui a également participé à l'étude, a déclaré que l'étude résout également la façon de régler les propriétés optiques et électroniques dans un matériau 2-D.
"La vraie puissance de notre technique, et une étape importante pour la communauté de la physique, est de discerner entre ces propriétés optiques et électroniques, " dit Borys.
L'équipe a utilisé plusieurs outils à la Fonderie Moléculaire, une installation ouverte à la communauté scientifique et spécialisée dans la création et l'exploration de matériaux nanométriques.
La technique de fonderie moléculaire que les chercheurs ont adaptée pour l'étude du sulfure de molybdène monocouche, connue sous le nom de spectroscopie d'excitation par photoluminescence (PLE), promet de mettre à portée de main de nouvelles applications pour le matériau, tels que les biocapteurs ultrasensibles et les transistors plus petits, et est également prometteur pour localiser et manipuler de manière similaire les propriétés d'autres matériaux 2D, les chercheurs ont dit.
Kaiyuan Yao travaille avec un équipement de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui a été utilisé pour aider à mesurer une propriété dans un matériau 2D. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
L'équipe de recherche a mesuré à la fois les signaux d'exciton et de bande interdite, puis démêlé ces signaux séparés. Les scientifiques ont observé comment la lumière était absorbée par les électrons dans l'échantillon de sulfure de molybdène alors qu'ils ajustaient la densité des électrons entassés dans l'échantillon en modifiant la tension électrique sur une couche de silicium chargé qui se trouvait sous la monocouche de sulfure de molybdène.
Les chercheurs ont remarqué une légère "bosse" dans leurs mesures qu'ils ont réalisé était une mesure directe de la bande interdite, et grâce à une multitude d'autres expériences, ils ont utilisé leur découverte pour étudier comment la bande interdite était facilement ajustable en ajustant simplement la densité d'électrons dans le matériau.
"Le grand degré d'accordabilité ouvre vraiment les yeux des gens, " a déclaré P. James Schuck, qui était directeur de l'installation d'imagerie et de manipulation de nanostructures à la fonderie moléculaire au cours de cette étude.
"Et parce que nous pouvions voir à la fois le bord de la bande interdite et les excitons simultanément, nous pourrions comprendre chacun indépendamment et aussi comprendre la relation entre eux, " dit Schuck, maintenant à l'Université de Columbia. "Il s'avère que toutes ces propriétés dépendent les unes des autres."
Sulfure de molybdène, Schuck a également noté, est "extrêmement sensible à son environnement local, " ce qui en fait un candidat de choix pour une utilisation dans une gamme de capteurs. Parce qu'il est très sensible aux effets optiques et électroniques, il pourrait traduire la lumière entrante en signaux électroniques et vice versa.
Schuck a déclaré que l'équipe espère utiliser une suite de techniques à la fonderie moléculaire pour créer d'autres types de matériaux monocouches et des échantillons de couches 2D empilées, et d'obtenir des mesures de bande interdite définitives pour ceux-ci, trop. "Il s'avère que personne ne connaît encore les bandes interdites pour certains de ces autres matériaux, " il a dit.
Cette image montre une légère "bosse" (flèche rouge) dans les données expérimentales cartographiées qui révèle la mesure de la bande interdite dans un matériau 2D connu sous le nom de sulfure de molybdène. Crédit :Berkeley Lab
L'équipe possède également une expertise dans l'utilisation d'une sonde à l'échelle nanométrique pour cartographier le comportement électronique d'un échantillon donné.
Borys ajouté, "Nous espérons certainement que ce travail amorcera d'autres études sur d'autres systèmes semi-conducteurs 2-D."
La fonderie moléculaire est une installation utilisateur du DOE Office of Science qui offre un accès gratuit à des équipements de pointe et à une expertise multidisciplinaire en science nanométrique aux scientifiques invités.
Des chercheurs du Kavli Energy NanoSciences Institute de l'UC Berkeley et du Berkeley Lab, et de l'Arizona State University ont également participé à cette étude, qui a été soutenu par la National Science Foundation.
