p Os materiais bidimensionais são uma espécie de fenômeno novato na comunidade científica. Eles são atomicamente finos e podem exibir propriedades eletrônicas e baseadas em luz radicalmente diferentes do que seus mais espessos, formas mais convencionais, portanto, os pesquisadores estão migrando para este campo incipiente para encontrar maneiras de explorar essas características exóticas. p As aplicações para materiais 2-D variam de componentes de microchip a painéis solares superfinos e flexíveis e telas de exibição, entre uma lista crescente de usos possíveis. Mas, como sua estrutura fundamental é inerentemente pequena, eles podem ser difíceis de fabricar e medir, e para combinar com outros materiais. Enquanto a P&D de materiais 2-D está em alta, ainda existem muitas incógnitas sobre como isolar, realçar, e manipular suas qualidades mais desejáveis.

p Agora, uma equipe científica do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) mediu com precisão algumas propriedades do sulfeto de molibdênio anteriormente obscurecidas, um material semicondutor 2-D também conhecido como dissulfeto de molibdênio ou MoS2. A equipe também revelou um poderoso mecanismo de sintonia e uma inter-relação entre seu sistema eletrônico e óptico, ou relacionado à luz, propriedades.

p Para melhor incorporar esses materiais monocamada em dispositivos eletrônicos, engenheiros querem saber o "intervalo de banda, "que é o nível mínimo de energia necessário para afastar os elétrons dos átomos aos quais estão acoplados, de modo que eles fluam livremente através do material como a corrente elétrica flui através de um fio de cobre. Fornecendo energia suficiente para os elétrons, absorvendo luz, por exemplo, converte o material em um estado eletricamente condutor.

p Conforme relatado na edição de 25 de agosto de Cartas de revisão física , pesquisadores mediram o gap para uma monocamada de sulfeto de molibdênio, que se provou difícil de prever teoricamente com precisão, e descobriu que é cerca de 30 por cento maior do que o esperado com base em experimentos anteriores. Eles também quantificaram como o gap muda com a densidade de elétrons - um fenômeno conhecido como "renormalização do gap".

p "O significado mais crítico deste trabalho foi encontrar o gap, "disse Kaiyuan Yao, um estudante de pós-graduação pesquisador no Berkeley Lab e na Universidade da Califórnia, Berkeley, que atuou como o autor principal do artigo de pesquisa.

p "Isso fornece uma orientação muito importante para todos os engenheiros de dispositivos optoeletrônicos. Eles precisam saber qual é o gap" para conectar adequadamente o material 2-D com outros materiais e componentes em um dispositivo, Yao disse.

p A obtenção da medição direta do gap é desafiada pelo chamado "efeito exciton" em materiais 2-D que é produzido por um forte emparelhamento entre elétrons e "buracos" de elétrons - posições vazias em torno de um átomo onde um elétron pode existir. A força desse efeito pode mascarar as medições do gap.

p Nicholas Borys, um cientista do projeto da Fundição Molecular do Berkeley Lab que também participou do estudo, disse que o estudo também resolve como ajustar as propriedades ópticas e eletrônicas em um material 2-D.

p "O verdadeiro poder da nossa técnica, e um marco importante para a comunidade de física, é discernir entre essas propriedades ópticas e eletrônicas, "Borys disse.

p A equipe usou várias ferramentas na Fundição Molecular, uma instalação aberta à comunidade científica e especializada na criação e exploração de materiais em nanoescala.

p A técnica de fundição molecular que os pesquisadores adaptaram para uso no estudo de sulfeto de molibdênio em monocamada, conhecido como espectroscopia de excitação de fotoluminescência (PLE), promete trazer novas aplicações para o material ao seu alcance, como biossensores ultrassensíveis e transistores menores, e também mostra a promessa de identificar e manipular propriedades de maneira semelhante em outros materiais 2-D, pesquisadores disseram.

p A equipe de pesquisa mediu os sinais de exciton e intervalo de banda, e então desembaraçou esses sinais separados. Os cientistas observaram como a luz foi absorvida pelos elétrons na amostra de sulfeto de molibdênio enquanto ajustavam a densidade dos elétrons amontoados na amostra, alterando a voltagem elétrica em uma camada de silício carregado que ficava abaixo da monocamada de sulfeto de molibdênio.

p Os pesquisadores notaram uma ligeira "saliência" em suas medições que perceberam ser uma medição direta do gap, e através de uma série de outros experimentos usaram sua descoberta para estudar como o gap era facilmente ajustável, simplesmente ajustando a densidade dos elétrons no material.

p "O grande grau de sintonia realmente abre os olhos das pessoas, "disse P. James Schuck, que foi diretor da instalação de Imagem e Manipulação de Nanoestruturas na Fundição Molecular durante este estudo.

p "E porque pudemos ver a borda do gap e os excitons simultaneamente, poderíamos entender cada um de forma independente e também entender a relação entre eles, "disse Schuck, agora na Columbia University. "Acontece que todas essas propriedades dependem umas das outras."

p Sulfeto de molibdênio, Schuck também observou, é "extremamente sensível ao ambiente local, "o que o torna um candidato principal para uso em uma variedade de sensores. Por ser altamente sensível a efeitos ópticos e eletrônicos, poderia traduzir a luz que entra em sinais eletrônicos e vice-versa.

p Schuck disse que a equipe espera usar um conjunto de técnicas na Fundição Molecular para criar outros tipos de materiais de monocamada e amostras de camadas 2-D empilhadas, e para obter medições de gap definitivas para estes, também. "Acontece que ninguém ainda conhece as lacunas de banda para alguns desses outros materiais, " ele disse.

p A equipe também tem experiência no uso de uma sonda em nanoescala para mapear o comportamento eletrônico em uma determinada amostra.

p Borys acrescentou, "Certamente esperamos que este trabalho semeie mais estudos em outros sistemas semicondutores 2-D."

p A Molecular Foundry é um DOE Office of Science User Facility que fornece acesso gratuito a equipamentos de última geração e especialização multidisciplinar em ciência em nanoescala para cientistas visitantes.

p Pesquisadores do Kavli Energy NanoSciences Institute da UC Berkeley and Berkeley Lab, e da Arizona State University também participaram deste estudo, que foi apoiado pela National Science Foundation.