De subtils changements dans la température de croissance modifient la forme d'un alliage à quatre composants créé à l'Université Rice. L'alliage peut être réglé pour modifier sa bande interdite optique, qui peuvent être utiles dans la conception de cellules solaires et de diodes électroluminescentes. Crédit :Alex Kutana
Des scientifiques de l'Université Rice ont découvert un alliage bidimensionnel avec une bande interdite optique qui peut être ajustée en fonction de la température utilisée pour le faire croître.
Le scientifique du laboratoire Rice, Pulickel Ajayan, a cultivé l'alliage à quatre composants de molybdène et de tungstène, des métaux de transition, avec des chalcogènes, du soufre et du sélénium dans un four de dépôt chimique en phase vapeur. Ils ont découvert que les changements de température modifiaient subtilement la façon dont les atomes s'assemblaient et modifiaient également les propriétés qui déterminent la façon dont ils absorbent et émettent la lumière.
Leurs expériences ont été construites sur les travaux du laboratoire du physicien théoricien Rice Boris Yakobson, qui a créé des dizaines de modèles pour prédire comment diverses combinaisons des quatre éléments devraient fonctionner.
Le processus devrait intéresser les ingénieurs qui cherchent à faire plus petit, appareils plus efficaces. Étant donné que la bande interdite se situe dans la plage optique du spectre électromagnétique, les chercheurs ont déclaré que les cellules solaires et les diodes électroluminescentes pourraient être les premiers bénéficiaires.
Le document apparaît comme une histoire de couverture dans le numéro actuel de Matériaux avancés .
L'équipe dirigée par le co-auteur principal et chercheur de Rice Alex Kutana a généré 152 modèles aléatoires du matériau qui ont montré que la bande interdite pouvait être réglée de 1,62 à 1,84 électron-volt en faisant varier la température de croissance de 650 à 800 degrés Celsius (1, 202 à 1, 472 degrés Fahrenheit).
Les scientifiques du riz ont découvert un alliage à quatre composants avec une bande interdite optique qui peut être ajustée par la température utilisée pour le faire croître par dépôt chimique en phase vapeur. Une illustration modélisée par ordinateur est présentée dans le numéro actuel de Matériaux avancés . Crédit :Illustration par Alex Kutana/Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA. Reproduit avec autorisation
L'équipe expérimentale dirigée par Sandhya Susarla a ensuite fabriqué et testé les matériaux thermodynamiquement stables dans un four par incréments de 50 degrés. Les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge dirigés par le chercheur postdoctoral Jordan Hachtel ont produit des images au microscope qui ont identifié et détaillé la position de chaque atome dans les matériaux.
"Les laboratoires ont fabriqué des matériaux 2D avec deux ou trois composants, mais nous pensons que personne n'en a essayé quatre, " a déclaré le co-auteur et chercheur postdoctoral de Rice Chandra Sekhar Tiwary. " Le fait d'avoir quatre composants nous donne un degré de liberté supplémentaire. Avec moins de matériaux, chaque ajustement que vous faites pour changer la bande interdite la transforme en un matériau différent. Ce n'est pas le cas ici."
"Ce que nous avons fait devrait être très utile, " a ajouté Susanla, un étudiant diplômé de Rice. "Pour des applications telles que les cellules solaires et les LED, vous avez besoin d'un matériau qui a une large bande interdite."
Tiwary a déclaré que le matériau peut être réglé pour couvrir tout le spectre de la lumière visible, des longueurs d'onde de 400 à 700 nanomètres. « C'est une vaste gamme que nous pouvons couvrir en changeant simplement cette composition, " dit-il. " Si nous choisissons la composition correctement, nous pouvons atteindre la bonne bande interdite ou le bon point d'émission."
"Ces matériaux sont sans doute les semi-conducteurs 2D les plus importants en raison de leurs excellentes propriétés optoélectroniques et de leur faible coût, ", a déclaré Kutana. "Nos calculs à haut débit nous ont permis d'éviter les hypothèses antérieures sur le comportement de la bande interdite en alliage. Le résultat surprenant était la régularité des changements de bande interdite, résultant en des propriétés optiques à la fois utiles et prévisibles."
