Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han utilizado una sonda nanoóptica única para estudiar los efectos de la iluminación en semiconductores bidimensionales a nivel molecular. Trabajando en el MolecularFoundry, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, el equipo científico utilizó la sonda "Campanile" que desarrollaron para hacer algunos descubrimientos sorprendentes sobre el disulfuro de molibdeno, miembro de una familia de semiconductores, llamados "dichoslcogenuros de metales de transición TMDC, cuyas propiedades optoelectrónicasson una gran promesa para futuros dispositivos nanoelectrónicos y fotónicos.
"La notable resolución de la sonda Campanile nos permitió identificar una importante heterogeneidad optoelectrónica a nanoescala en las regiones interiores de cristales monocapa de disulfuro de molibdeno, y una inesperada región de borde con desorden energético de aproximadamente 300 nanómetros de ancho", dice James Schuck, un científico del personal deDivisión de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab. Schuck dirigió este estudio, así como el equipo que creó la sonda Campanile, que ganó un Premio R&D 100 en 2013 por combinar las ventajas de la microscopía de exploración / sonda y la espectroscopía óptica.
"Esta región de borde desordenada, que nunca antes se había visto, podría ser extremadamente importante para cualquier dispositivo en el que uno quiera hacer contactos eléctricos", dice Schuck. "También podría resultar fundamental para las aplicaciones de conversión óptica fotocatalítica y no lineal".
Schuck, quien dirige la Instalación de Imágenes y Manipulación de Nanoestructuras en la Fundición Molecular, es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en Nature Communications. El artículo se titula "Visualización de propiedades de relajación excitónica a nanoescala de bordes desordenados y límites de grano en monocapadisulfuro de molibdeno ". Los coautores principales son Wei Bao y Nicholas Borys.
Los 2D-TMDC rivalizan con el grafeno como sucesores potenciales del silicio para la próxima generación de electrónica de alta velocidad. Solo una molécula de grosor, los materiales 2D-TMDC cuentan con eficiencias energéticas superiores y una capacidad para transportar densidades de corriente mucho más altas que el silicio. Sin embargo, desde su "descubrimiento" experimental en 2010, el rendimiento de los materiales 2D-TMDC ha quedado muy por detrás de las expectativas teóricas debido principalmente a la falta de comprensión de las propiedades 2D-TMDC a nanoescala, en particular sus propiedades excitónicas.electrones y agujeros que permiten que los semiconductores funcionen en dispositivos.
"La pobre comprensión de las propiedades excitónicas 2D-TMDC y otras propiedades a nanoescala se basa en gran parte en las limitaciones existentes en la imagen nanoespectroscópica", dice Schuck. "Con nuestra sonda Campanile, superamos casi todas las limitaciones previas del campo cercanomicroscopía y pueden mapear propiedades y procesos químicos y ópticos críticos en sus escalas de longitud nativas "
La sonda Campanile, que toma su nombre de la histórica torre del reloj "Campanile" en el campus de la Universidad de California en Berkeley, presenta una punta microscópica cónica de cuatro lados que está montada en el extremo de una fibra óptica. Dosde los lados del Campanile están recubiertos de oro y las dos capas de oro están separadas por unos pocos nanómetros en la punta. El diseño cónico permite que la sonda Campanile canalice la luz de todas las longitudes de onda hacia un campo mejorado en el vértice de la punta.El tamaño del espacio entre las capas doradas determina la resolución, que puede estar por debajo del límite óptico de difracción.
En su nuevo estudio, Schuck, Bao, Borys y sus coautores usaron la sonda Campanile para mapear espectroscópicamente procesos de relajación / estado excitado a nanoescala en cristales monocapa de disulfuro de molibdeno que se cultivaron por deposición química de vapor CVD. Disulfuro de molibdenoes un semiconductor 2D que presenta una alta conductancia eléctrica comparable a la del grafeno, pero, a diferencia del grafeno, tiene espacios de banda de energía natural, lo que significa que su conductancia se puede desactivar.
"Nuestro estudio reveló una importante heterogeneidad optoelectrónica a nanoescala y nos permitió cuantificar los fenómenos de extinción de excitones en los límites del grano de cristal", dijo Schuck. "El descubrimiento de la región del borde desordenado constituye un cambio de paradigma de la idea de que solo un estado de borde metálico 1Des responsable de toda la física y la fotoquímica relacionadas con los bordes que se observan en 2D-TMDC. Lo que sucede en los bordes de los cristales de 2D-TMDC es claramente más complicado que eso. Hay una región desordenada mesoscópica que probablemente domina la mayoría del transporte, óptica no lineal ycomportamiento fotocatalítico cerca de los bordes de los CDMD 2D cultivados con CVD "
En este estudio, Schuck y sus colegas también descubrieron que la región del borde desordenada en los cristales de disulfuro de molibdeno alberga una deficiencia de azufre que tiene implicaciones para futuras aplicaciones optoelectrónicas de este 2D-TMDC.
"Menos azufre significa que hay más electrones libres en esa región del borde, lo que podría conducir a una recombinación no radiativa mejorada", dice Schuck. "La recombinación no radiativa mejorada significa que los excitones creados cerca de una vacante de azufre vivirían por un tiempo mucho más cortoperíodo de tiempo."
Schuck y sus colegas planean estudiar a continuación las propiedades excitónicas y electrónicas que puedan surgir, así como la creación de uniones pn y pozos cuánticos, cuando se conectan dos tipos dispares de TMDC.
"También estamos combinando materiales 2D-TMDC con las llamadas meta superficies para controlar y manipular los estados del valle y los emisores circulares que existen dentro de estos sistemas, así como explorar estados cuánticos localizados que podrían actuar como fotones individuales casi idealesemisores y estados Qubit entrelazados cuánticamente ", dice Schuck.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Lynn Yarris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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