O estudo sobre dissulfeto de molibdênio 2-D (MoS 2 ) os defeitos empregaram medições de ruído de baixa frequência e microscopia de força atômica condutiva (C-AFM). A imagem ampliada mostra uma ponta do cantilever AFM apontando para uma área com uma monovacância de enxofre (área sombreada em vermelho). À medida que a corrente flui através da ponta AFM e da amostra, eventos de comutação entre diferentes estados de ionização (neutro e carregado -1) são medidos. Com um raio de cerca de 25 nanômetros, a ponta AFM cobre uma área que contém cerca de 1-8 monovacâncias de enxofre. Crédito:IBS, publicado em Nature Communications
Pesquisadores do Centro de Física Nanoestruturada Integrada mostraram que os defeitos na monocamada de dissulfeto de molibdênio (MoS 2 ) exibem comutação elétrica, fornecendo novos insights sobre as propriedades elétricas deste material. Como MoS 2 é um dos semicondutores 2-D mais promissores, espera-se que esses resultados contribuam para seu uso futuro em optoeletrônica.
Os defeitos podem causar grandes mudanças nas propriedades de um material, levando a efeitos desejáveis ou indesejados. Por exemplo, a indústria petroquímica há muito tempo aproveita a atividade catalítica do MoS 2 arestas, caracterizado pela presença de uma alta concentração de defeitos, para produzir produtos de petróleo com dióxido de enxofre reduzido (SO 2 ) emissões. Por outro lado, ter um material imaculado é uma obrigação na eletrônica. Atualmente, o silício governa a indústria, porque pode ser preparado de maneira virtualmente livre de defeitos. No caso de MoS 2 , sua adequação para aplicações eletrônicas é atualmente limitada pela presença de defeitos que ocorrem naturalmente. Até aqui, a ligação precisa entre esses defeitos e as propriedades degradadas do MoS 2 tem sido uma questão em aberto.
No IBS, uma equipe de físicos, cientistas materiais, e engenheiros elétricos trabalharam juntos para explorar as propriedades eletrônicas das vagas de enxofre no MoS 2 monocamadas, usando uma combinação de microscopia de força atômica (AFM) e análise de ruído. Os cientistas usaram uma ponta metálica de AFM para medir o sinal de ruído, ou seja, a variação da corrente elétrica que passa por uma única camada de MoS 2 colocado em um substrato de metal.
Os defeitos mais comuns em MoS 2 são instâncias de átomos de enxofre únicos ausentes, também conhecido como monovacâncias de enxofre. Em uma amostra perfeita, cada átomo de enxofre tem dois elétrons de valência que se ligam a dois elétrons de molibdênio. Contudo, onde um átomo de enxofre está faltando, esses dois elétrons de molibdênio são deixados insaturados, definindo o estado neutro (estado 0) do defeito. Contudo, a equipe observou eventos de mudança rápida em suas medições de ruído, indicando o estado da vaga comutado entre neutro (estado 0) e carregado (estado -1).
O gráfico superior ilustra os processos de comutação entre o nível neutro (estado 0) e o nível carregado (estado -1) que ocorrem quando um elétron (círculo vermelho) da corrente que flui é capturado (canto superior esquerdo) ou liberado (canto superior direito) em o defeito de vacância de enxofre (marcado por um círculo verde). O gráfico inferior mostra eventos de comutação na corrente que ocorrem quando os elétrons da corrente passam pelo MoS 2 amostra estão presos na vaga, ou liberado da vaga. Crédito:IBS
"A mudança entre 0 e -1 está acontecendo continuamente. Enquanto um elétron permanece na vaga por um tempo, está faltando na corrente, de modo que observamos uma queda de corrente, "explica Michael Neumann, um dos co-primeiros autores do estudo. "Isso ajuda muito a compreender as anomalias conhecidas do MoS 2 , e é muito interessante que as lacunas de enxofre por si só sejam suficientes para explicar essas anomalias, sem exigir defeitos mais complexos. "De acordo com os experimentos e cálculos anteriores, dois elétrons também podem ser presos na vacância (estado -2), mas isso não parece ser favorecido energeticamente.
A nova observação de que as vacâncias de enxofre podem ser carregadas (estados -1 e -2) lança luz sobre vários MoS 2 anomalias, incluindo sua mobilidade reduzida de elétrons observada em amostras de monocamada de MoS2:os elétrons se movem seguindo a direção de uma tensão aplicada, mas se espalham por defeitos carregados. “O estado -1 é ocupado cerca de 50% do tempo, o que levaria ao espalhamento de elétrons, e, assim, explicar porque MoS 2 tem uma mobilidade tão pobre, "esclarece Neumann. Outro MoS 2 características que podem ser explicadas por este estudo são a dopagem tipo n de MoS 2 , e a resistência inesperadamente grande no MoS 2 -junção de metal.
"Esta pesquisa abre a possibilidade de desenvolver um novo dispositivo de nanoespectroscopia de ruído capaz de mapear um ou mais defeitos em escala nano em uma ampla área de um material 2-D, "conclui o autor correspondente Young Hee Lee.
O estudo completo está disponível em Nature Communications .
