Het ontwerpen van hetero-interfaces naar nieuwe opto-elektronische functionaliteiten met behulp van grootschalige berekeningen

Het assembleren van Lego-achtige, 2D heterostructuren kan leiden tot opkomende eigenschappen en functionaliteiten die sterk verschillen van de intrinsieke kenmerken van de bestanddelen.

Op dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) gebaseerde bandstructuurberekeningen kunnen licht werpen op grensvlakeigenschappen van verschillende heterostructuren.

Interface-eigenschappen van 2D-perovskiet/TMD-heterostructuren

Heterostructuren op basis van verschillende 2D-materialen hebben geresulteerd in “nieuwe” eigenschappen die aanzienlijk kunnen verschillen van die van de individuele materialen. Dergelijke heterostructuren kunnen worden gemaakt door verschillende soorten atomair dunne 2D-materialen samen te voegen.

Een dergelijke familie van 2D-materialen, de 2D-perovskieten, vertoont interessante fotofysische eigenschappen en een betere stabiliteit in vergelijking met de typische bulkperovskieten. Tot nu toe waren de prestatiestatistieken van opto-elektronische apparaten in het nabij-infrarood (NIR)/zichtbaar bereik van 2D-perovskieten echter vrij slecht vanwege bepaalde intrinsieke en materiaalspecifieke beperkingen, zoals grote bandgaps, ongewoon hoge excitonbindingsenergieën en lage optische absorptie.

Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van de Monash University kijkt naar een methodologie om de prestaties van opto-elektronische apparaten te verbeteren en de functionaliteiten van 2D-perovskieten uit te breiden door ze te conjugeren met optisch actieve overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s). 2D-perovskieten en TMD’s zijn structureel verschillend, maar ze kunnen schone interfaces vormen dankzij van der Waals-interacties tussen de gestapelde lagen. Met behulp van nauwkeurige eerste-principeberekeningen demonstreren de auteurs dat de nieuwe interface (banduitlijning) en transporteigenschappen haalbaar zijn in 2D-perovskiet/TMD-heterostructuren die op grote schaal kunnen worden afgestemd op basis van de juiste keuze van de bestanddelen.

De fotoresponsiviteit van de BP-MoS₂ heterostructuur hangt af van de invallende golflengte van licht op het grensvlak. Krediet: FLEET

Om de interface-eigenschappen nauwkeurig te begrijpen, creëerden de auteurs rooster-matched structuren van de interfaces en verkenden ze hun eigenschappen door middel van zeer geheugenintensieve berekeningen met behulp van supercomputerfaciliteiten.

In specifieke systemen kunnen de voorspelde type-II-uitlijningen met NIR/zichtbare bandgaps verbeterde optische absorptie mogelijk maken bij relatief lagere energieën. Ook kunnen aanzienlijke bandoffsets en de mogelijkheid van excitonen tussen de lagen met lagere dissociatie-energieën leiden tot een gemakkelijkere scheiding tussen de lagen van de geëxciteerde ladingsdragers over twee materialen. Deze maken het mogelijk om hogere fotostromen en verbeterde zonnecelefficiënties te bereiken. De onderzoekers voorspellen ook de mogelijkheid van type-I-systemen voor op recombinatie gebaseerde apparaten zoals lichtemitterende diodes en type-III-systemen voor het bereiken van tunneltransport. Bovendien vertonen ze ook een aanzienlijke spanningstolerantie in dergelijke 2D-perovskiet/TMD-heterostructuren, een vereiste voor flexibele sensoren.

“Over het algemeen tonen deze bevindingen aan dat een computergestuurde selectie van heterostructuren betere platforms kan bieden dan intrinsieke materialen voor specifieke apparaattoepassingen en potentieel heeft in multifunctionele apparaten van de volgende generatie, zoals flexibele fotosensoren of LED’s”, zegt FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar die het werk leidde met Ph.D. student Abin Varghese en postdoctoraal onderzoeker Dr. Yuefeng Yin.

Afstemming polariteit van fotogegenereerde stromen

Om de fysica van 2D-heterostructuren verder te onderzoeken, werkte het team samen met experimentatoren onder leiding van prof. Saurabh Lodha van IIT Bombay, India om de opkomst van een nog onontdekt opto-elektronisch fenomeen te verklaren. In het eerste werk op WSe₂/SnSe₂ heterostructuren, bij verlichting, toonde de polariteit van de fotostroom een ​​afhankelijkheid van het type elektrisch transport (thermionisch of tunneling) over het grensvlak van de heterostructuur.

Het ladingstransportmechanisme over de WSe₂/SnSe₂ heterostructuur kan worden gecontroleerd met behulp van licht of door een elektrisch veld buiten het vlak toe te passen, wat kan leiden tot positieve of negatieve fotoresponsiviteit (R). Krediet: FLEET

De onderzoekers van Monash gebruikten op dichtheidsfunctionaaltheorie gebaseerde elektrische veldafhankelijke bandstructuurberekeningen en schreven deze waarneming toe aan de aard van banduitlijning op het grensvlak. Samen toonden ze aan dat een verandering in banduitlijning van type II naar type III resulteerde in een verandering in polariteit van fotostroom van positief naar negatief.

In termen van de prestaties van fotodetectoren zijn de responsiviteit en responstijd cruciale maatstaven. In deze studie werd experimenteel een hoge negatieve responsiviteit en snelle responstijd waargenomen in de prototypes van het apparaat, wat bemoedigend is voor de verdere ontwikkeling van op 2D-materialen gebaseerde apparaten voor praktische toepassingen.

In een andere heterostructuur bestaande uit zwarte fosfor en MoS₂, illustreerden de experimenten een verlichtingsgolflengte-afhankelijkheid van de polariteit van fotogeleiding. De negatieve fotogeleiding gezien bij specifieke golflengten boven de absorptierand van MoS₂ kan controleerbaar en omkeerbaar worden afgestemd op positieve fotogeleiding bij lagere golflengten. De drempelgolflengte voor cross-over tussen negatieve en positieve fotogeleiding was cruciaal afhankelijk van de vlokdiktes. Dikteafhankelijke bandstructuurberekeningen uitgevoerd door onderzoekers van Monash toonden duidelijk de mogelijkheid aan van een toename in recombinatie van ladingsdragers voor specifieke diktes, wat zou kunnen leiden tot negatieve fotogeleiding, wat de conclusies ten goede komt.

Deze studies demonstreren nieuwe methoden om het detectiemechanisme in fotodetectoren te controleren, die nog niet in dergelijke details zijn bestudeerd.