Moleculair ‘klittenband’: covalente bindingen tussen 2D-materialen ontsluiten verbeterde opto-elektronische mogelijkheden

Onderzoekers hebben 2D-materialen chemisch met elkaar verbonden met behulp van een moleculair ‘klittenband’, wat heeft geresulteerd in een apparaat met verbeterde opto-elektronische eigenschappen. Het apparaat is gemaakt van palladium-nanoplaten die covalent zijn gebonden met MoS₂toont een verbeterde opto-elektronische respons in het infrarood dankzij het chemisch gebonden grensvlak tussen de twee materialen, in vergelijking met zijn van der Waals-tegenhanger. Deze volgende generatie 2D-2D-heterostructuren gaat verder dan Van der Waals dankzij de sterke covalente bindingen tussen de 2D-materialen.

Het combineren van het beste van verschillende kristallen om het ultieme materiaal te verkrijgen is het motto dat tweedimensionaal (2D) materiaalonderzoek drijft. 2D-structuren worden doorgaans gebouwd door atomaire afzetting en zwak aan elkaar gebonden door van der Waals-interacties. De afgelopen jaren is een alternatieve aanpak geïntroduceerd voor het creëren van robuuste 2D-structuren, waarbij chemische koppelingen van nanosheets van verschillende materialen betrokken zijn. Nu maken onderzoekers gebruik van deze techniek om verbeterde apparaten te creëren met een rijkere opto-elektronische respons.

In een recente samenwerking tussen IMDEA Nanociencia, ICMM (Madrid), INMA en ARAID Foundation (Zaragoza) hebben onderzoekers een 2D-structuur gesynthetiseerd en gekarakteriseerd, bestaande uit palladium nanosheets en molybdeendisulfide (MoS₂). De studie is gepubliceerd in het journaal Klein.

MoS₂ is een van de meest populaire 2D-materialen vanwege de gemakkelijke exfoliatie en uitstekende opto-elektronische eigenschappen. Het beschikt over een goed gedefinieerde bandafstand in het 2H-type en een goede absorptie in het zichtbare bereik van het spectrum. Er is echter een opmerkelijke beperking van MoS₂ is de slechte absorptie in het infrarood. Het optische breedbanddetectievermogen, vooral van ultraviolet tot het nabij-infraroodbereik, is van cruciaal belang voor toepassingen zoals medische monitoring, videobeelden of optische communicatie.

Onderzoekers hebben MoS gecombineerd₂ met palladium nanosheets om 2D-structuren te creëren met breedbanddetectie die zorgen voor absorptie in het infrarood. Het prototype-apparaat, bestaande uit een enkele laag MoS₂ covalent gefunctionaliseerd met palladium nanosheets, vertoonde een verbeterde opto-elektronische respons, zowel in termen van breedte als intensiteit, in vergelijking met een van der Walls-structuur met dezelfde componenten.

Onderzoekers bewezen dat de verbetering voortkwam uit het chemisch gebonden grensvlak tussen de twee materialen. De spectroscopische analyse van palladium-MoS₂ Het apparaat onthulde een elektronische interactie tussen de twee materialen die de effectiviteit van de chemische verbinding aantoonde.

Het hier gerapporteerde apparaat heeft drie belangrijke kenmerken. Eerst een MoS₂ grote laterale afmetingen in het micrometerbereik gecombineerd met een ultradunne dikte van minder dan 5 nanometer. Ten tweede hebben de palladium nanosheets een 2D-morfologie, die een sterke absorptie in het infraroodgebied mogelijk maakt. Ten slotte wordt de chemische verbinding tussen de twee nanomaterialen mogelijk gemaakt via een bifunctioneel molecuul.

Het werk benadrukt de voordelen van de covalente verbinding. Ten eerste is het apparaat robuust tegen oplosmiddelen of thermische processen. Verder verbetert de covalente verbinding tussen de 2D-componenten de opto-elektronische respons van het apparaat in vergelijking met zijn Van der Waals-tegenhanger. Deze bevindingen tonen aan dat covalent gekoppelde 2D-materialen veelbelovend zijn voor hun toepassing in breedbandfotodetectie.