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Pour protéger les dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs monocouches (S-TMD) de l'oxydation, ils doivent être entièrement à l'abri de la lumière, même une courte exposition provoquant une oxydation suffisamment grave pour endommager les contacts électriques et détruire complètement les caractéristiques optiques.
Un nouveau, La collaboration dirigée par l'Université Monash a montré que l'oxydation des monocouches de disulfure de tungstène (WS2) dans des conditions ambiantes est due à l'absorption des longueurs d'onde visibles de la lumière.
Le nouveau travail, en collaboration avec des chercheurs américains. Laboratoire de recherche navale et l'Université de l'Université autonome de Madrid, informe les chercheurs travaillant dans le domaine du caractère photosensible jusqu'alors méconnu de ces matériaux, et plus important, agit comme un guide pour éviter complètement l'oxydation dans les échantillons exposés aux conditions ambiantes.
"Ce travail devrait guider les chercheurs dans les meilleures pratiques pour la fabrication de dispositifs S-TMD, " dit l'auteur principal, M. Jimmy Kotsakidis.
Alors que l'oxydation des dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs monocouches (S-TMD) dans des conditions ambiantes est déjà connue, le mécanisme derrière cela n'a pas été clair.
La nouvelle étude montre pour la première fois que l'oxydation du S-TMD WS2 dans des conditions ambiantes nécessite une lumière de longueur d'onde appropriée :l'oxydation est causée par une lumière suffisamment énergétique pour provoquer des transitions électroniques dans le WS2, c'est-à-dire l'oxydation observée dans les conditions ambiantes est photo-induite. Les chercheurs postulent que cela se produit via deux mécanismes plausibles, Transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET) et photo-catalyse. En raison de la chimie similaire des S-TMD, on pense que ce même effet devrait être observable dans le MoS2 et d'autres S-TMD de la même famille de matériaux.
Longueurs d'onde lumineuses à 660 nm ou moins (c'est-à-dire, longueurs d'onde visibles) s'est avéré oxyder significativement WS2. En revanche, les échantillons ne s'oxydent pas s'ils sont exposés à une lumière de 760 nm (avec trop peu d'énergie photonique pour exciter les transitions électroniques dans WS2), ou ont été conservés dans l'obscurité (10 mois), ou dans une atmosphère d'azote éclairée (7 jours).
"Cet effet important [la photooxydation] a été négligé dans les S-TMD depuis le début des études d'oxydation vers 1955. Ainsi, nous pensons que ces nouvelles découvertes auront des implications importantes pour les présent, et les futures études concernant les S-TMD mesurées, stocké, ou manipulé dans des conditions ambiantes, ", dit M. Kotsakidis.
Plateau :triple symétrique, décalé vers le rouge, bords cristallins brillants en disulfure de tungstène monocouche (WS2) :(a) carte d'intensité photoluminescente et (b) position de pic photoluminescent. En bas :Le même cristal après oxydation, montrant l'oxyde suivant ces motifs symétriques. Crédit :FLOTTE
Dichalcogénures de métaux de transition atomiquement minces tels que WS2, ont suscité beaucoup d'intérêt au cours de la dernière décennie en raison de leurs propriétés optiques et électriques extraordinaires et, par conséquent, utilisation possible dans les futurs appareils électroniques et optoélectroniques.
Ce nouveau travail informe les chercheurs travaillant dans le domaine du caractère photosensible jusqu'alors méconnu de ces matériaux, et plus important, agit comme un guide pour éviter complètement l'oxydation dans les échantillons exposés aux conditions ambiantes. Alors que des études antérieures ont montré que les S-TMD monocouches peuvent prendre des semaines pour s'oxyder visiblement, ce travail montre que cela peut se produire en aussi peu que 7 jours, même dans des conditions de très faible luminosité.
« Comprendre la stabilité des S-TMD dans des conditions ambiantes et sous un éclairage léger, crucial pour les mesures et manipulations effectuées dans ces conditions, est essentiel pour leur développement en applications potentielles, ", déclare le co-auteur, le professeur Michael Fuhrer.
Les chercheurs ont étudié des monocouches de dichalcogénure de métal de transition semi-conducteur (S-TMD) WS2 cultivées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Les échantillons ont été exposés à des quantités contrôlées de lumière, puis caractérisé par microscopie optique, microscopie confocale à balayage laser (LSCM), spectroscopie de photoluminescence (PL), et la microscopie à force atomique (AFM).
Les chercheurs ont découvert que la monocouche WS2 exposée aux conditions ambiantes en présence de lumière ambiante présentait des dommages dus à l'oxydation qui pouvaient être détectés avec le LSCM et l'AFM, mais n'était pas évident en microscopie optique conventionnelle en raison d'un contraste et d'une résolution plus faibles.
L'étude a observé que cette oxydation n'était pas aléatoire et était corrélée à une symétrie élevée, des bords à haute intensité et des zones décalées vers le rouge sur la carte de spectroscopie PL - zones censées contenir une concentration plus élevée de lacunes de soufre.
En revanche, les échantillons conservés dans l'obscurité n'ont montré aucun signe d'oxydation jusqu'à 10 mois.
Les chercheurs ont ensuite effectué des expositions contrôlées à une lumière d'irradiance très faible à différentes longueurs d'onde pendant de longues périodes. La faible intensité a assuré qu'aucun dommage n'était dû au chauffage de la lumière. Ils ont découvert que les échantillons exposés à la lumière avec suffisamment d'énergie photonique pour exciter WS2 présentaient une oxydation, tandis que les énergies de photons inférieures à ce seuil n'oxydent pas WS2. Cette forte dépendance à la longueur d'onde et l'absence apparente de dépendance à l'éclairement suggèrent que l'oxydation ambiante de WS2 est initiée par des transitions de bandes électroniques à médiation photonique, C'est, photo-oxydation.
