Esta é uma ilustração de uma heteroestrutura MoS2 / WS2 com uma monocamada MoS2 situada no topo de uma monocamada WS2. Elétrons e buracos criados pela luz são mostrados para se separar em camadas diferentes. Crédito:grupo Feng Wang, Berkeley Lab / UC Berkeley
(Phys.org) - Um novo argumento acaba de ser adicionado ao caso crescente de o grafeno ser expulso de seu pedestal como a próxima grande coisa no mundo da alta tecnologia pelos semicondutores bidimensionais conhecidos como materiais MX2. Uma colaboração internacional de pesquisadores liderados por um cientista com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (Berkeley Lab) relatou a primeira observação experimental de transferência de carga ultrarrápida em materiais MX2 fotoexcitados. O tempo de transferência de carga registrado foi inferior a 50 femtossegundos, comparável aos tempos mais rápidos registrados para fotovoltaicos orgânicos.
"Demonstramos, pela primeira vez, transferência de carga eficiente em heteroestruturas MX2 por meio de mapeamento combinado de fotoluminescência e medições de absorção transiente, "diz Feng Wang, um físico de matéria condensada da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e do Departamento de Física de Berkeley da Universidade da Califórnia (UC). "Tendo determinado quantitativamente o tempo de transferência de carga como inferior a 50 femtossegundos, nosso estudo sugere que as heteroestruturas MX2, com suas notáveis propriedades elétricas e ópticas e o rápido desenvolvimento de síntese de grandes áreas, são uma grande promessa para futuras aplicações fotônicas e optoeletrônicas. "
Wang é o autor correspondente de um artigo em Nature Nanotechnology descrevendo esta pesquisa. O artigo é intitulado "Transferência de carga ultrarrápida em heteroestruturas MoS2 / WS2 atomicamente finas". Os co-autores são Xiaoping Hong, Jonghwan Kim, Su-Fei Shi, Yu Zhang, Chenhao Jin, Yinghui Sun, Sefaattin Tongay, Junqiao Wu e Yanfeng Zhang.
As monocamadas MX2 consistem em uma única camada de átomos de metal de transição, como molibdênio (Mo) ou tungstênio (W), imprensado entre duas camadas de átomos de calcogênio, tal como enxofre (S). A heteroestrutura resultante é limitada pela atração intermolecular relativamente fraca conhecida como força de van der Waals. Esses semicondutores 2D apresentam a mesma estrutura hexagonal "em forma de favo de mel" do grafeno e condutância elétrica super rápida, mas, ao contrário do grafeno, eles têm lacunas de banda de energia natural. Isso facilita sua aplicação em transistores e outros dispositivos eletrônicos porque, ao contrário do grafeno, sua condutância elétrica pode ser desligada.
Feng Wang é um físico de matéria condensada da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e do Departamento de Física da UC Berkeley. Crédito:Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab
"Combinar diferentes camadas MX2 permite controlar suas propriedades físicas, "diz Wang, que também é investigador do Kavli Energy NanoSciences Institute (Kavli-ENSI). "Por exemplo, a combinação de MoS2 e WS2 forma um semicondutor tipo II que permite a separação rápida de carga. A separação de elétrons fotoexcitados e lacunas é essencial para conduzir uma corrente elétrica em um fotodetector ou célula solar. "
Ao demonstrar as capacidades de separação de carga ultrarrápida de amostras atomicamente finas de heteroestruturas MoS2 / WS2, Wang e seus colaboradores abriram novos caminhos potencialmente ricos, não apenas para fotônica e optoeletrônica, mas também para energia fotovoltaica.
"Os semicondutores MX2 têm propriedades de absorção óptica extremamente fortes e, em comparação com materiais fotovoltaicos orgânicos, têm uma estrutura cristalina e melhores propriedades de transporte elétrico, "O fator em uma taxa de transferência de carga de femtossegundo e os semicondutores MX2 fornecem uma maneira ideal de separar espacialmente elétrons e lacunas para coleta e utilização elétrica."
O mapeamento de fotoluminescência de uma heteroestrutura MoS2 / WS2 com a escala de cores que representa a intensidade da fotoluminescência mostra forte extinção da fotoluminescência MoS2. Crédito:grupo Feng Wang
Wang e seus colegas estão estudando as origens microscópicas da transferência de carga em heteroestruturas MX2 e a variação nas taxas de transferência de carga entre diferentes materiais MX2.
"Também estamos interessados em controlar o processo de transferência de carga com campos elétricos externos como um meio de utilizar heteroestruturas MX2 em dispositivos fotovoltaicos, "Wang diz.
