(Esquerda) Gráfico mostrando a mudança na fotoluminescência de MoS2 após a exposição apenas a H2O, O2 sozinho, e ar ambiente a pressões de 7, 200, e 760 Torr, respectivamente. (À direita) Figura mostrando a diferença de densidade de carga entre MoS2 puro e MoS2 adsorvido em O2. Crédito:Sefaattin Tongay, et al. © 2013 American Chemical Society
(Phys.org) —A menção de um material bidimensional com excelentes propriedades elétricas e ópticas pode primeiro trazer à mente o grafeno. Contudo, esta descrição também se encaixa em outra classe de materiais chamados dichalcogenetos de metais de transição (TMDs). Embora os TMDs em massa tenham sido estudados por décadas - antes mesmo de o grafeno ser descoberto - apenas recentemente eles foram isolados em monocamadas. Com os avanços recentes na caracterização de nanomateriais, cientistas reconheceram o potencial de TMDs de monocamada em aplicações como LEDs, conversão de energia óptica, e outras tecnologias optoeletrônicas 2D.
Os TMDs de monocamada são semicondutores de gap direto e, por essa razão, devem ser bons emissores de luz. Mas por enquanto, os TMDs de monocamada emitiram luz apenas em baixas intensidades e baixas eficiências. E porque a física subjacente da emissão de luz TMD em monocamada permaneceu indescritível, os cientistas acharam difícil fazer melhorias.
Agora, um novo estudo realizado por pesquisadores dos Departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade da Califórnia, Berkeley, e MIT, bem como do Instituto de Semicondutores da Academia Chinesa de Ciências de Pequim, China, demonstrou um aumento na intensidade de emissão de luz de TMDs por um fator de 100. O estudo foi publicado em uma edição recente da Nano Letras .
"O significado deste trabalho é a demonstração e compreensão da modulação da luz por portas moleculares e elétricas, "co-autor Sefaattin Tongay, um pesquisador de pós-doutorado em Berkeley, contado Phys.org . "Apresentamos uma compreensão detalhada da modulação observada e alcançamos intensidades de emissão de luz notáveis. Esses resultados têm um impacto de longo alcance no campo, como monocamada, os TMDs têm uma grande proporção entre a superfície e o volume e, portanto, são muito sensíveis às condições ambientais. Nossos resultados estão provando um entendimento detalhado das mudanças nas propriedades ópticas causadas pela interação entre moléculas de gás e TMDs de monocamada. Aqui, estamos aproveitando essa propriedade e modulando a emissão de luz de forma reversível em até 100 vezes por meio de métodos simples de gás e eletricidade. "
Ao contrário do grafeno, que é um material orgânico feito exclusivamente de átomos de carbono, os TMDs que os cientistas estudaram aqui são materiais inorgânicos em que cada molécula é feita de um metal de transição e dois calcogenetos. Sua fórmula química é MX 2 , com exemplos comuns sendo MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 e WSe 2 .
Em seus experimentos, os pesquisadores primeiro prepararam MoS monocamada 2 flocos que eram apenas 0,7 nm, ou três átomos, Grosso. Então, para tornar os flocos mais sensíveis às moléculas de gás, os pesquisadores recozeram os flocos colocando-os em uma câmara de vácuo em alta temperatura. Após o recozimento, os flocos monocamada foram expostos a diferentes tipos de gases em pressões de gás controladas.
Após a exposição a H 2 O, O 2 , ou H 2 O e O 2 juntos, a intensidade de emissão de luz dos flocos MoS2 aumentou em 10, 35, e 100 vezes, respectivamente. Os pesquisadores não observaram o mesmo aumento em um gás inerte (N 2 e Ar) ambiente, o que sugere que o efeito parece estar diretamente relacionado à interação entre o 2 e H 2 O e a monocamada TMD.
Os pesquisadores também descobriram que o efeito é totalmente reversível quando o gás é bombeado para fora da câmara, ponto em que a intensidade volta imediatamente ao seu valor original. Como os cientistas notaram, A intensidade da emissão de luz reversível é um critério importante para várias aplicações ópticas. A reversibilidade também sugere que o O 2 e H 2 As moléculas O são fisisorvidas em vez de quimicamente adsorvidas na superfície de MoS2. Como moléculas fisicamente absorvidas, a estrutura molecular permanece inalterada, ao contrário das moléculas absorvidas quimicamente.
Ainda mais interessante, os pesquisadores descobriram que enquanto o MoSe 2 exibe sensibilidade de gás semelhante ao MoS 2 , WSe 2 mostra o comportamento oposto; isso é, sua intensidade de emissão de luz diminui com a exposição a O 2 e / ou H 2 O.
Essas observações, junto com simulações, permitiu aos pesquisadores propor um mecanismo físico para explicar o efeito. Eles pensam que, quando as moléculas de gás são fisisorvidas para o MoS 2 (ou MoSe 2 ) superfície, alguns dos elétrons livres da superfície são transferidos para as moléculas de gás, esgotando o MoS 2 (ou MoSe 2 ) de seus elétrons livres. Normalmente, os excitons na superfície ficariam ligados aos elétrons e se tornariam "trions" carregados negativamente. Mas sem o excesso de elétrons livres, os excitons permanecem neutros e estáveis, promovendo emissão de luz mais intensa.
"Isso [modulação] é possível para o sistema que estudamos por causa de sua natureza bidimensional, que não só dá a razão superfície-volume máxima (portanto, locais de superfície máximos para interagir com as moléculas de gás), mas também confina os elétrons a um grau que aumenta muito as interações entre os elétrons, buracos e luz, "explicou o co-autor Junqiao Wu, um professor da Universidade da Califórnia, Berkeley.
Este mecanismo também explica porque WSe2 mostra o comportamento oposto ao MoS 2 e MoSe 2 . O MoS 2 e MoSe 2 as superfícies têm elétrons livres em primeiro lugar porque são semicondutores dopados do tipo n. WSe 2 , por outro lado, é um semicondutor dopado do tipo p e possui buracos livres em vez de elétrons. Então, para WSe 2 , o O 2 e / ou H 2 O moléculas de gás fazem com que os buracos se acumulem, ao invés de ser esgotado, no WSe 2 superfície. Como resultado, o WSe 2 contém ainda mais trions do que antes de ser exposto às moléculas de gás, o que diminui sua intensidade de emissão de luz.
Os pesquisadores também demonstraram modulação de emissão de luz semelhante em dispositivos eletricamente controlados em um ambiente de gás controlado. Contudo, a modulação, neste caso, era insignificante quando o dispositivo estava operando em condições de vácuo. A descoberta sugere que as portas elétricas também podem modular a emissão de luz, controlando a fisiossorção de gás em TMDs de monocamada.
A capacidade de controlar reversivelmente a intensidade de emissão de luz de TMDs semicondutores, controlando a pressão do gás e portas elétricas, pode ter efeitos de longo alcance para os campos da física da matéria condensada, ótica, ciência e engenharia de materiais, e eletrônicos. Os pesquisadores prevêem que, com o novo entendimento de como a interação entre os TMDs de gás e monocamada afeta as propriedades ópticas dos TMDs, melhorias adicionais na intensidade de emissão de luz podem ser alcançadas. Por exemplo, experimentando com diferentes moléculas de gás, modificar a superfície da monocamada com agentes químicos que aumentam a sensibilidade às moléculas de gás, e a criação intencional de defeitos pontuais na monocamada para promover a fisissorção poderia aumentar ainda mais a intensidade de emissão de luz, tornando TMDs de monocamada ainda mais adequados para aplicações optoeletrônicas.
No futuro, os pesquisadores planejam trabalhar no desenvolvimento de novos materiais com características incomuns por meio da engenharia de suas propriedades físicas, como eles fizeram aqui.
"Vamos estudar os efeitos de quaisquer imperfeições em geral em tais semicondutores bidimensionais, incluindo defeitos atômicos, efeitos de substrato, bem como interações com adsorbatos de moléculas, "Wu disse.
© 2013 Phys.org
