Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) usaram uma sonda nano-óptica exclusiva para estudar os efeitos da iluminação em semicondutores bidimensionais em nível molecular. Trabalhando na Fundição Molecular, um DOE Office of Science User Facility, a equipe científica usou a sonda "Campanile" que desenvolveram para fazer algumas descobertas surpreendentes sobre o dissulfeto de molibdênio, um membro de uma família de semicondutores, chamados de "dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs), cujas propriedades optoeletrônicas são uma grande promessa para futuros dispositivos nanoeletrônicos e fotônicos.

"A resolução notável da sonda Campanile nos permitiu identificar heterogeneidade optoeletrônica significativa em nanoescala nas regiões interiores de cristais de monocamada de dissulfeto de molibdênio, e um inesperado, aproximadamente 300 nanômetros de largura, região de borda energeticamente desordenada, "diz James Schuck, um cientista da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab. Schuck liderou este estudo, bem como a equipe que criou a sonda Campanile, que ganhou um prestigioso prêmio R&D 100 em 2013 por combinar as vantagens da microscopia de varredura / sonda e espectroscopia óptica.

"Esta região de borda desordenada, que nunca foi visto antes, pode ser extremamente importante para qualquer dispositivo em que se queira fazer contatos elétricos, "Schuck diz." Também pode ser crítico para aplicações de conversão óptica fotocatalítica e não linear. "

Schuck, que dirige a instalação de imagem e manipulação de nanoestruturas na fundição molecular, é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa em Nature Communications . O artigo é intitulado "Visualizando propriedades de relaxamento excitônico em nanoescala de bordas desordenadas e contornos de grão em dissulfeto de molibdênio em monocamada." Os co-autores principais são Wei Bao e Nicholas Borys. (Veja abaixo uma lista completa de autores.)

2D-TMDCs rivalizam com o grafeno como sucessores potenciais do silício para a próxima geração de eletrônicos de alta velocidade. Apenas uma única molécula de espessura, Os materiais 2D-TMDC apresentam eficiências de energia superiores e uma capacidade de transportar densidades de corrente muito mais altas do que o silício. Contudo, desde sua "descoberta" experimental em 2010, o desempenho dos materiais 2D-TMDC ficou muito aquém das expectativas teóricas, principalmente por causa da falta de compreensão das propriedades 2D-TMDC em nanoescala, particularmente suas propriedades excitônicas. Excitons são pares ligados de elétrons excitados e lacunas que permitem que semicondutores funcionem em dispositivos.

"A falta de compreensão da excitônica 2D-TMDC e outras propriedades em nanoescala está enraizada em grande parte nas restrições existentes na imagem nanoespectroscópica, "Schuck diz." Com nossa sonda Campanile, nós superamos quase todas as limitações anteriores da microscopia de campo próximo e somos capazes de mapear propriedades químicas e ópticas críticas e processos em suas escalas de comprimento nativas. "

A sonda Campanile, cujo nome deriva do marco da torre do relógio "Campanile" no campus da Universidade da Califórnia em Berkeley, apresenta um cônico, ponta microscópica de quatro lados montada na extremidade de uma fibra óptica. Dois dos lados do Campanile são revestidos com ouro e as duas camadas de ouro são separadas por apenas alguns nanômetros na ponta. O design cônico permite que a sonda Campanile canalize a luz de todos os comprimentos de onda para um campo aprimorado no ápice da ponta. O tamanho da lacuna entre as camadas de ouro determina a resolução, que pode estar abaixo do limite óptico de difração.

Em seu novo estudo, Schuck, Bao, Borys e seus co-autores usaram a sonda Campanile para mapear espectroscopicamente processos de estado de excitação / relaxamento em nanoescala em cristais de monocamada de dissulfeto de molibdênio que foram cultivados por deposição química de vapor (CVD). O dissulfeto de molibdênio é um semicondutor 2D que apresenta alta condutância elétrica comparável à do grafeno, mas, ao contrário do grafeno, tem lacunas de banda de energia natural, o que significa que sua condutância pode ser desligada.

"Nosso estudo revelou heterogeneidade optoeletrônica significativa em nanoescala e nos permitiu quantificar fenômenos de extinção de excitons nos limites dos grãos de cristal, "Schuck disse." A descoberta da região de borda desordenada constitui uma mudança de paradigma da ideia de que apenas um estado de borda metálica 1D é responsável por toda a física e fotoquímica relacionada a borda sendo observada em 2D-TMDCs. O que está acontecendo nas bordas dos cristais 2D-TMDC é claramente mais complicado do que isso. Há uma região mesoscópica desordenada que provavelmente domina a maioria dos transportes, óptica não linear, e comportamento fotocatalítico próximo às bordas de 2D-TMDCs cultivados em CVD. "

Neste estudo, Schuck e seus colegas também descobriram que a região de borda desordenada nos cristais de dissulfeto de molibdênio contém uma deficiência de enxofre que tem implicações para futuras aplicações optoeletrônicas deste 2D-TMDC.

"Menos enxofre significa que mais elétrons livres estão presentes nessa região de borda, o que poderia levar a uma recombinação não radiativa aprimorada, "A recombinação não radiativa melhorada significa que os excitons criados perto de uma lacuna de enxofre viveriam por um período de tempo muito mais curto."

Schuck e seus colegas planejam estudar a seguir as propriedades excitônicas e eletrônicas que podem surgir, bem como a criação de junções p-n e poços quânticos, quando dois tipos distintos de TMDCs estão conectados

"Também estamos combinando materiais 2D-TMDC com as chamadas metadesuperfícies para controlar e manipular os estados de vale e emissores circulares que existem dentro desses sistemas, bem como explorar estados quânticos localizados que poderiam atuar como emissores de fóton único quase ideais e estados Qubit emaranhados quânticos, "Schuck diz.