Una nuova svolta sui materiali 2D può portare a dispositivi elettronici e ottici migliorati Leave a comment


Una nuova svolta sui materiali 2D può portare a dispositivi elettronici e ottici migliorati

I due tipi di interfacce tra strati di materiali 2D dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) in cui lo strato superiore è un Janus TMD con due tipi di atomi (selenio e zolfo) e lo strato inferiore è un normale TMD con un tipo di atomo (zolfo) . L’interfaccia S/S è molto più forte dell’interfaccia Se/S a causa della distribuzione di carica dallo squilibrio negli atomi di S. Credito: Penn State Materials Research Institute

Una nuova generazione di elettronica e optoelettronica potrebbe presto essere possibile controllando gli angoli di torsione in un particolare tipo di materiale 2D a doppio strato utilizzato in questi dispositivi, rafforzando la carica elettrica intrinseca che esiste tra i due strati, secondo i ricercatori della Penn State, dell’Università di Harvard, Massachusetts Institute of Technology e Rutgers University.

I ricercatori hanno lavorato con normali materiali 2D dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) e Janus TMD, una classe di materiali 2D che prende il nome dal dio romano della dualità, Janus. Questi materiali 2D a doppio strato hanno un’interazione tra strati nota come accoppiamento interstrato di van der Waals che porta a un trasferimento di carica, un processo importante per la funzionalità dei dispositivi elettronici. Il trasferimento di carica per entrambi i lati dei TMD convenzionali è lo stesso a causa del fatto che ciascun lato ha lo stesso tipo di atomi. Nel caso dei materiali Janus TMD, gli atomi su ciascun lato del materiale sono di tipi diversi, portando a un trasferimento di carica diverso quando ciascun lato è in contatto con altri materiali 2D.

“Nel nostro studio, i due tipi di atomi su ciascun lato del materiale Janus TMD erano zolfo e selenio”, ha affermato Shengxi Huang, assistente professore di ingegneria elettrica e ingegneria biomedica presso la Penn State e coautore dello studio recentemente pubblicato in ACS Nano. “Poiché sono diversi, può esserci una separazione di carica o uno squilibrio di carica per il lato superiore e inferiore. Crea un campo elettrico intrinseco diretto verticalmente che è molto diverso dai materiali 2D convenzionali”.

In ricerche precedenti, Huang e gli altri ricercatori hanno lavorato per capire se questo campo elettrico intrinseco avrebbe un impatto sui materiali 2D adiacenti quando sono stratificati. Hanno scoperto che l’accoppiamento è più forte nei materiali Janus 2D rispetto ai materiali 2D tradizionali, a causa della carica asimmetrica causata dai diversi tipi di atomi su ciascun lato.

Per il lavoro attuale, hanno impilato manualmente due tipi di strati di materiale, Janus TMD e normali materiali 2D, che hanno causato angoli casuali a seconda di come erano impilati. Ma quando hanno sintonizzato gli angoli di come ciascuno è stato impilato a livelli specifici, hanno fatto una scoperta interessante. Se i materiali a forma di triangolo vengono attorcigliati per impilarsi con un angolo di zero gradi, quando sono perfettamente allineati, o con un angolo di 60 gradi, quando sono l’esatto opposto del perfetto allineamento, hanno scoperto che gli accoppiamenti sono molto più resistenti di ad angoli casuali. Inoltre, hanno anche scoperto che l’accoppiamento tra gli strati è più forte quando il Janus TMD è stratificato sul TMD convenzionale con lo stesso tipo di elemento.

“La scoperta principale è stata che per questa stessa interfaccia zolfo/zolfo, l’accoppiamento interstrato è molto più forte dell’interfaccia zolfo/selenio”, ha detto Huang. “E questo è dovuto alla distribuzione di carica correlata alla direzione del dipolo in questi atomi. Ciò significa che può esserci un trasferimento di carica effettivo tra i due strati. In base ai nostri calcoli, la separazione, ovvero la distanza tra gli strati intermedi, è molto più piccola , quindi questo mostra che c’è un accoppiamento più forte.”

Per scoprirlo, Huang e il team hanno utilizzato la spettroscopia Raman a bassa frequenza. Hanno irradiato luce sui due strati di materiali 2D, che hanno fatto vibrare gli atomi dei materiali. Se la vibrazione è più veloce e ad una frequenza più alta, ciò indica che l’accoppiamento intercalare è forte.

“Puoi immaginarlo usando una molla che collega due sfere”, ha detto Huang. “Se la molla vibra molto velocemente, significa che questa molla è forte”.

L’altro metodo utilizzato dal team durante la sua ricerca è stata la spettroscopia di fotoluminescenza. Quando due strati di materiale 2D si caricano tra loro, l’intensità di emissione della luce in uno dei materiali diminuirà. Questo perché ci sono alcune cariche che si trasferiscono all’altro strato e non c’è abbastanza carica perché la fotoluminescenza avvenga nello strato “trasmittente”.

“Abbiamo usato questo come misura del grado di tra i due strati”, ha detto Kunyan Zhang, dottorando in ingegneria elettrica presso la Penn State e co-autore dello studio. “I risultati che abbiamo ottenuto dall’emissione di luce sono coerenti con la nostra spettroscopia Raman a bassa frequenza. Dove vediamo un accoppiamento più forte dalla vibrazione atomica, vediamo anche un calo maggiore nell’emissione di luce”.

Questi risultati sono importanti per il progresso dell’elettronica e dell’optoelettronica. Il controllo dell’accoppiamento tra gli strati e l’induzione di diversi comportamenti ottici e/o elettronici ha una grande importanza per le prestazioni di molti dispositivi optoelettronici ed elettronici.

“Queste nuove capacità materiali possono influenzare molte applicazioni, che vanno dall’optoelettronica ai dispositivi elettronici alle capacità catalitiche nei dispositivi elettrochimici come le batterie”, ha detto Huang. “Questi dispositivi sono ovunque nella nostra vita quotidiana, come l’illuminazione, l’elettronica, gli elettrodomestici e le batterie”.

Il lavoro continuato in questo ambito di ricerca includerà il modo in cui l’accoppiamento intercalare influisce su altri tipi di materiali. Inoltre, i loro risultati potrebbero essere utili ad altri ricercatori in futuro.

“Le persone al di fuori del nostro campo potrebbero trarre beneficio dal nostro studio”, ha detto Zhang. “La messa a punto di questo tipo di accoppiamento interno utilizzando l’interfaccia con angoli di torsione non è stata studiata prima. Questi risultati potrebbero essere sorprendenti per altri nel campo 2D il cui lavoro non coinvolge Janus TMD”.


Personalizzazione di materiali 2D per migliorare i dispositivi elettronici e ottici


Maggiori informazioni:
Kunyan Zhang et al, Firme spettroscopiche dell’accoppiamento intercalare nelle eterostrutture Janus MoSSe/MoS2, ACS Nano (2021). DOI: 10.1021/acsnano.1c03779

Citazione: Una nuova svolta sui materiali 2D può portare a dispositivi elettronici e ottici migliorati (2021, 14 ottobre) recuperati il ​​14 ottobre 2021 da https://phys.org/news/2021-10-2d-materials-electronic-optical-devices. html

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