p (Phys.org) —O impulso para desenvolver dispositivos eletrônicos ultra-pequenos e ultra-rápidos usando uma única camada atômica de semicondutores, tais como dichalcogenetos de metais de transição, recebeu um impulso significativo. Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) registraram as primeiras observações de uma forte ressonância óptica não linear ao longo das bordas de uma única camada de dissulfeto de molibdênio. A existência desses estados de borda é a chave para o uso de dissulfeto de molibdênio em nanoeletrônica, bem como um catalisador para a reação de evolução de hidrogênio em células de combustível, dessulfuração e outras reações químicas. p "Observamos fortes ressonâncias ópticas não lineares nas bordas de um cristal bidimensional de dissulfeto de molibdênio", disse Xiang Zhang, um cientista do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab que liderou este estudo. "Esses estados unidimensionais de borda são o resultado de mudanças na estrutura eletrônica e podem permitir novos dispositivos nanoeletrônicos e fotônicos. Há muito se suspeitava que essas bordas eram os locais ativos para a reação de evolução eletrocatalítica do hidrogênio em aplicações de energia. Também descobrimos um segundo extraordinário propriedades de geração de luz harmônica que podem ser usadas para o monitoramento in situ de mudanças eletrônicas e reações químicas que ocorrem nas bordas atômicas unidimensionais. "

p Zhang, que também detém a cadeira de professor dotada de Ernest S. Kuh na Universidade da Califórnia (UC) Berkeley e dirige o Centro de Ciência e Engenharia em escala nanométrica da National Science Foundation, é o autor correspondente de um artigo em Ciência descrevendo esta pesquisa. O artigo é intitulado "Edge Nonlinear Optics on a MoS2 Atomic Monolayer." Os co-autores são Xiaobo Yin, Ziliang Ye, Daniel Chenet, Yu Ye, Kevin O'Brien e James Hone.

p Os semicondutores bidimensionais emergentes são valorizados na indústria eletrônica por sua eficiência energética superior e capacidade de transportar densidades de corrente muito mais altas do que o silício. Apenas uma única molécula de espessura, eles são adequados para dispositivos optoeletrônicos integrados. Até recentemente, o grafeno tem sido a superestrela incontestável dos materiais 2D, mas hoje há uma atenção considerável voltada para cristais semicondutores 2D que consistem em uma única camada de átomos de metal de transição, como o molibdênio, tungstênio ou nióbio, imprensado entre duas camadas de átomos de calcogênio, como enxofre ou selênio. Apresentando a mesma estrutura hexagonal plana "em forma de favo de mel" que o grafeno e muitas das mesmas vantagens elétricas, esses dichalcogenetos de metais de transição, ao contrário do grafeno, têm bandgaps de energia direta. Isso facilita sua aplicação em transistores e outros dispositivos eletrônicos, particularmente diodos emissores de luz.

p A plena realização do vasto potencial dos dichalcogenetos de metais de transição só virá com uma melhor compreensão das orientações de domínio de suas estruturas cristalinas que dão origem às suas propriedades excepcionais. Até agora, Contudo, imagens experimentais dessas estruturas de três átomos de espessura e suas bordas foram limitadas a microscopia de varredura por tunelamento e microscopia eletrônica de transmissão, tecnologias que geralmente são difíceis de usar. A óptica não linear nas bordas e limites do cristal permitiu que Zhang e seus colaboradores desenvolvessem uma nova técnica de imagem baseada em emissões de luz de geração de segundo harmônico (SHG) que pode capturar facilmente as estruturas cristalinas e orientações de grãos com um microscópio óptico.

p "Nossa técnica de imagem óptica não linear é não invasiva, velozes, abordagem metrológica fácil para o estudo de materiais atômicos 2D, "diz Xiaobo Yin, o principal autor do Ciência papel e um ex-membro do grupo de pesquisa de Zhang que agora faz parte do corpo docente da Universidade do Colorado, Pedregulho. "Não precisamos preparar a amostra em nenhum substrato especial ou ambiente de vácuo, e a medição não perturbará a amostra durante o processo de imagem. Esta vantagem permite medições in situ sob muitas condições práticas. Além disso, nossa técnica de imagem é uma medição ultrarrápida que pode fornecer informações dinâmicas críticas, e sua instrumentação é muito menos complicada e menos cara em comparação com a microscopia de tunelamento de varredura e a microscopia eletrônica de transmissão. "

p Para a imagem SHG de dissulfeto de molibdênio, Zhang e seus colaboradores iluminaram amostras de membranas com apenas três átomos de espessura com pulsos ultrarrápidos de luz infravermelha. As propriedades ópticas não lineares das amostras produziram uma forte resposta SHG na forma de luz visível que é ajustável e coerente. As imagens geradas por SHG resultantes permitiram aos pesquisadores detectar "descontinuidades estruturais" ou bordas ao longo dos cristais 2D com apenas alguns átomos de largura, onde a simetria translacional do cristal foi quebrada.

p "Ao analisar os componentes polarizados dos sinais SHG, fomos capazes de mapear a orientação do cristal da membrana atômica de dissulfeto de molibdênio, "diz Ziliang Ye, o co-autor principal do artigo e atual membro do grupo de pesquisa de Zhang. "Isso nos permitiu capturar um mapa completo das estruturas dos grãos de cristal, codificado por cores de acordo com a orientação do cristal. Agora temos um tempo real, ferramenta não invasiva que nos permite explorar a estrutura, óptico, e propriedades eletrônicas de camadas atômicas 2D de dichalcogenetos de metais de transição em uma grande área. "