p Quando os cientistas removem átomos individuais em um material semicondutor, as vagas resultantes tornam-se defeitos pontuais. Ao contrário do que seu nome indica, esses defeitos podem ter efeitos benéficos nas propriedades do semicondutor e habilitar a maioria das funcionalidades dos materiais eletrônicos. Em um novo estudo, pesquisadores demonstraram que defeitos pontuais em semicondutores 2D resultam em um aumento na intensidade geral da fotoluminescência à temperatura ambiente. Avançar, os defeitos criam um novo pico de emissão que pode levar a uma melhor compreensão da física dos defeitos em semicondutores 2D, bem como em aplicações futuras, como dispositivos emissores de luz multicoloridos. p Os pesquisadores, liderado por Sefaattin Tongay, Joonki Suh, e J. Wu, na Universidade da Califórnia, Berkeley, a Academia Chinesa de Ciências em Pequim, e MIT, publicaram seu artigo sobre os efeitos de defeitos pontuais em semicondutores 2D em uma edição recente da Nature's Relatórios Científicos .

p "Tipicamente, defeitos de materiais são considerados algo não desejado, "Tongay disse Phys.org . "Pelo contrário, a maioria das funcionalidades dos materiais são possibilitadas por várias imperfeições, como defeitos. Nesse trabalho, mostramos que a engenharia de defeitos em materiais bidimensionais nos permite criar outro canal de emissão de luz e também aumentar a emissão de luz.

p "É provável que seja um marco na área. Nós, cientistas, não sabíamos como observar defeitos por métodos ópticos, e aqui encontramos as primeiras assinaturas de defeitos em semicondutores 2D. Isso é emocionante. Pelo visto, os defeitos são outra maneira de ajustar / ativar as propriedades do material sob demanda. "

p Embora a física de defeitos pontuais em semicondutores 3D tenha sido amplamente estudada, muito menos se sabe sobre defeitos pontuais nos semicondutores 2D desenvolvidos mais recentemente. Os sistemas eletrônicos de baixa dimensão são altamente suscetíveis a desordem e imperfeições. Em semicondutores 2D, espera-se que essa propensão influencie fortemente os processos eletrônicos e excitônicos. Um desses tipos de semicondutores 2D emergentes são os dichalcogenetos de metal de transição de monocamada (TMDs). Como os TMDs têm lacunas de banda diretas, o que significa que os elétrons podem emitir fótons diretamente, eles são materiais emissores de luz promissores.

p Aqui, os cientistas descobriram que a remoção de átomos de calcogênio (enxofre) de uma amostra de 0,7 nm de espessura do TMD MoS ₂ altera significativamente suas propriedades ópticas. Conforme o número de defeitos no material aumenta, o brilho geral da luz emitida pelo material aumenta. Esta luz tem um pico de fotoluminescência em 1,90 eV, que determina seu comprimento de onda e cor. Mas os defeitos também criaram um novo pico de fotoluminescência em 1,78 eV.

p Os cientistas descobriram que este pico de energia mais baixo domina o espectro de fotoluminescência em baixas temperaturas, e torna-se mais fraco à medida que a temperatura aumenta até desaparecer completamente acima de 250 K (-23 ° C). Contudo, à temperatura ambiente, a presença de tais defeitos aumenta a emissão de luz. Esta observação vai contra a sabedoria convencional no novo campo dos semicondutores 2D, que tem sido que a intensidade de emissão óptica à temperatura ambiente é critério suficiente para avaliar a qualidade do cristal de semicondutores 2D; os resultados aqui sugerem que as avaliações da qualidade do cristal devem envolver medições de fotoluminescência em baixa temperatura.

p Os cientistas também demonstraram que os defeitos de vacância têm efeitos semelhantes nas propriedades ópticas de dois outros TMDs, MoSe ₂ e WSe ₂ . Esses resultados indicam que os efeitos dos defeitos pontuais são provavelmente universais em outros semicondutores 2D, também.

p Os pesquisadores propõem que o mecanismo subjacente a esses efeitos depende da interação dos locais de defeito com o gás nitrogênio no ar. No vácuo, os defeitos não afetaram as propriedades ópticas dos TMDs. Os cientistas explicam que N ₂ moléculas no ar podem drenar elétrons livres do material nos locais de defeito, o que resulta em uma proporção maior de excitons livres (elétrons ligados a buracos) no material. Uma parte dos excitons livres, então, fica presa e limitada pelas vagas de defeito, formando excitons ligados. Eventualmente, ambos os excitons livres e ligados se recombinam radiativamente e produzem dois picos de emissão de luz distintos a 1,90 eV (~ 650 nm) e 1,78 eV (~ 700 nm), respectivamente.

p Uma vez que os pesquisadores podem criar esses defeitos por irradiação ou recozimento térmico, a densidade do defeito - e as mudanças resultantes nas propriedades ópticas do material - podem ser controladas por meio da engenharia de defeito. Essa capacidade pode levar à produção de semicondutores 2D com vários bandgaps, dispositivos de emissão de luz multicoloridos, e sensores ópticos de gás, entre outras aplicações.

p "Com um design inteligente, semicondutores 2D com defeito pontual mostram potencialmente melhor desempenho de materiais, que pode ser realizado descobrindo defeitos físicos em sistemas 2D, "Suh disse." Esse é o objetivo final da nossa equipe! " p © 2013 Phys.org