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2-D材料的高可调性

发布时间:2019-01-27 13:42:51 来源:

二维材料在科学界是一种新兴的现象。它们原子级很薄,与其较厚,更传统的形式相比,可以表现出完全不同的电子和光基性质,因此研究人员纷纷涌向这个刚刚起步的领域寻找挖掘这些异国特征的方法。

二维材料的应用范围从微芯片组件到超薄和柔性太阳能电池板和显示屏,以及越来越多的可能用途。但由于它们的基本结构本质上很小,因此制造和测量它们并与其他材料相匹配可能很棘手。因此,虽然二维材料研发正在崛起,但仍然有很多关于如何分离,增强和操纵其最理想品质的未知数。

现在,能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一个科学团队已经准确地测量了一些先前模糊的硫化物,一种二维半导体材料,也称为二硫化钼或MoS2。该团队还展示了强大的调整机制以及其电子和光学或光相关属性之间的相互关系。

为了最好地将这种单层材料结合到电子器件中,工程师想要知道“带隙”,这是将电子从它们所耦合的原子中摇离所需的最小能量水平,以便它们作为电子自由地流过材料。电流流过铜线。例如,通过吸收光向电子提供足够的能量,将材料转换成导电状态。

据8月25日出版的“ 物理评论快报”报道,研究人员测量了单层硫化钼的带隙,这在理论上难以准确预测,并且发现它比以前的实验预期高出约30%。他们还量化了带隙如何随电子密度变化 - 这种现象称为“带隙重整化”。

“这项工作最重要的意义在于找到带隙,”伯克利实验室和加州大学伯克利分校研究生研究员姚开元说,他是该研究报告的主要作者。

“这为所有光电子器件工程师提供了非常重要的指导。他们需要知道带隙是什么”,以便将2-D材料与器件中的其他材料和元件正确连接,Yao说。

获得直接带隙测量受到2-D材料中所谓的“激子效应”的挑战,所述2-D材料中的所谓“激子效应”是由电子和电子“空穴”之间的强配对产生的 - 电子可以存在的原子周围的空位。这种效应的强度可以掩盖带隙的测量。

伯克利实验室分子铸造厂的项目科学家Nicholas Borys也参与了这项研究,他说这项研究还解决了如何调整二维材料的光学和电子特性。

“我们技术的真正力量,以及物理界的一个重要里程碑,就是要辨别这些光学和电子属性,”Borys说。

该团队在Molecular Foundry使用了多种工具,这是一个向科学界开放的工厂,专门从事纳米材料的创建和探索。

研究人员改编用于研究单层钼硫化物的分子铸造技术,即光致发光激发(PLE)光谱学,有望为材料提供新的应用,如超灵敏生物传感器和更小的晶体管,并且也有类似精确定位的前景。研究人员说,并且在其他二维材料中操纵特性。

研究小组测量了激子和带隙信号,然后解开了这些独立的信号。科学家通过改变坐落在硫化物单层下面的带电硅层上的电压来调节填充到样品中的电子密度,观察了光在硫化物样品中被电子吸收的程度。

研究人员注意到他们的测量中有一个轻微的“撞击”,他们意识到这是对带隙的直接测量,并且通过一系列其他实验利用他们的发现来研究如何通过简单地调整带隙中的电子密度来调节带隙。材料。

“大规模的可调性确实打开了人们的视线,”P. James Schuck说,他是本研究期间分子铸造厂纳米结构成像和操纵设备的主管。

“因为我们可以同时看到带隙的边缘和激子,我们可以独立地理解它们并理解它们之间的关系,”现在哥伦比亚大学的Schuck说。“事实证明,所有这些属性都是相互依赖的。”

Schuck还指出,Moly硫化物“对其局部环境非常敏感”,这使其成为一系列传感器的主要候选者。因为它对光学和电子效应都非常敏感,所以它可以将入射光转换成电子信号,反之亦然。

Schuck说,该团队希望在Molecular Foundry中使用一套技术来创建其他类型的单层材料和堆叠的2-D层样品,并为这些材料获得明确的带隙测量。“事实证明,没有人知道其他一些材料的带隙,”他说。

该团队还具有使用纳米级探针来绘制给定样品的电子行为的专业知识。

鲍里斯补充道,“我们当然希望这项工作能够为其他二维半导体系统进一步研究。”

Molecular Foundry是美国能源部科学用户设施办公室,为访问科学家免费提供最先进的设备和纳米级科学的多学科专业知识。

来自加州大学伯克利分校和伯克利实验室的卡夫利能源纳米科学研究所和亚利桑那州立大学的研究人员也参加了这项由国家科学基金会支持的研究。

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