Nieuwe synthesemethode verbetert MoS₂ opto-elektronische prestaties

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van professor My Ali El Khakani van het Institut national de la recherche scientifique (INRS) heeft een verrassende ontdekking gedaan over de eigenschappen van molybdeendisulfide, ook bekend als MoS₂Het materiaal is zeer gewild in de opto-elektronica.

De resultaten van deze studie, uitgevoerd in samenwerking met het team van professor Mustapha Jouiad aan de Université de Picardie Jules Verne (UPJV), zijn zojuist bekendgemaakt. gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde optische materialenen staan ​​op de binnenkant van de omslag van het meinummer.

Dit werk is uitgevoerd in het kader van het proefschriftonderzoek van Driss Mouloua, uitgevoerd onder gezamenlijk toezicht van de professoren El Khakani en Jouiad van het onderzoekscentrum Énergie Matériaux Télécommunications van het INRS en de UPJV. Dr. Mouloua is momenteel postdoctoraal onderzoeker bij het Commissariat à l’énergie atomique in Frankrijk.

“Door een nieuwe manier voor te stellen om MoS te laten groeien₂ films met een verticaal gelaagde structuur, we banen de weg voor de synthese van MoS₂ dat is gelabeld als ‘3D’, maar een uitzonderlijk ‘2D’-gedrag heeft. De resultaten van dit proefschrift kunnen leiden tot innovatieve ontwikkelingen op het gebied van opto-elektronica en hernieuwbare energieën,” zei Mouloua, Ph.D., energie- en materiaalwetenschappen.

Een materiaal met unieke eigenschappen

Naar aanleiding van de wereldwijde opwinding die grafeen en de toepassingen ervan hebben veroorzaakt, is MoS₂ is opkomend als een ander tweedimensionaal (2D) materiaal, maar halfgeleider, dat veel interesse trekt van de wetenschappelijke gemeenschap vanwege zijn uitzonderlijke eigenschappen. Hoewel het sinds de jaren 70 en 80 wordt gebruikt als vast smeermiddel in de lucht- en ruimtevaartindustrie en voor hoogwaardige mechanica, is MoS₂ maakt een comeback als strategisch materiaal voor opto-elektronica.

Maand van de Arbeid₂ is een materiaal dat licht sterk kan absorberen en kan omzetten in elektrische ladingen met een hoge elektronenmobiliteit, waardoor het de capaciteit heeft voor snelle signaaloverdracht. Deze combinatie van unieke eigenschappen maakt het bijzonder aantrekkelijk voor de ontwikkeling van opto-elektronische toepassingen zoals fotodetectoren, fotonische schakelaars, zonnecellen van de volgende generatie en lichtgevende diodes (LED’s).

Al deze eigenschappen zijn echter afhankelijk van de manier waarop de monolagen (of atomaire “monosheets”) van dit 2D-materiaal, dat kan worden afgebeeld als “bladerdeeg”-structuur, in de films zijn gerangschikt. In de loop van de tijd hebben wetenschappers productiestrategieën ontwikkeld om 2 tot 5 horizontaal gelaagde monolagen te verkrijgen, om zo voordeel te halen uit MoS₂’s uitzonderlijke opto-elektronische eigenschappen.

Een nieuw paradigma

Met hun meest recente studie heeft het team van professor El Khakani het paradigma veranderd door aan te tonen dat het mogelijk is om relatief dikke MoS te synthetiseren₂ films (“3D”) die zijn opgebouwd uit verticaal uitgelijnde MoS₂ lagen. Om dit te bereiken, gebruikte het team een ​​innovatieve aanpak gebaseerd op de pulsed-laser deposition (PLD) techniek.

Door de groeiomstandigheden van deze dunne PLD-MoS te controleren₂ films en het bestuderen van hun eigenschappen, hebben de onderzoekers relatief dikke MoS bereikt₂ films (ongeveer 100 nanometer dik, equivalent aan ~200 atomaire monolagen van MoS₂) maar hun opto-elektronische gedrag lijkt verbazingwekkend veel op dat van ultradunne 2D MoS₂ (met slechts 3–5 MoS₂ monolagen).

“Uiteindelijk hebben we een 3D-materiaal dat zich gedraagt ​​als 2D-materiaal, wat heel interessant en intrigerend is”, aldus professor El Khakani.

Door hun nanostructurele karakteriseringen verder te verdiepen, door gebruik te maken van elektronentransmissiemicroscopie met hoge resolutie, hebben de onderzoekers ontdekt dat hoe verticaler de lagen zijn, hoe beter de fotodetectieprestaties van de PLD-MoS zijn.₂ films.

Deze nieuwe nanostructuur maakt de verticale MoS mogelijk₂ monolagen om individueel met licht te interacteren, waardoor hun vermogen om licht te absorberen wordt vergroot en een snelle verticale overdracht (langs de MoS) wordt bereikt₂ lagen) van de gecreëerde fotoladingen.

Dit vertaalt zich op zijn beurt in een opto-elektronische prestatie die vergelijkbaar is met die van de enkele lagen “2D” MoS₂ ultradunne films. Bovendien zijn deze “3D” PLD-MoS₂ Films kunnen worden opgeschaald naar waferniveau, terwijl de moeilijkheden die gepaard gaan met de uitdagende synthese van slechts enkele horizontale monolagen worden omzeild.

Met deze prestatie opent het team van professor El Kakhani een nieuwe weg naar een betere controle van de opto-elektronische eigenschappen van MoS₂ films door controle te krijgen over de verticale uitlijning van hun samenstellende MoS₂ monolagen.

“Dit is niet alleen de eerste keer dat MoS₂ met verticaal uitgelijnde lagen is bereikt door gebruik te maken van de PLD-techniek, maar nog belangrijker is dat we erin geslaagd zijn de mate van verticale uitlijning van de monolagen direct te correleren met de fotodetectieprestaties van de MoS₂ films.

“Dit is een belangrijke doorbraak die zal bijdragen aan een beter begrip van kwantumopsluitingsverschijnselen in ‘3D’-MoS₂en om het ontwerp van nieuwe opto-elektronische apparaten gebaseerd op ‘2D’-materialen, zoals MoS, te verbeteren₂of WS₂” concludeert de onderzoeker.