Sondeo de las propiedades de las nanoburbujas en semiconductores bidimensionales

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) han surgido como una nueva clase de semiconductores que muestran propiedades distintivas en espesores de monocapa.

estancia: Propiedades ferroeléctricas ultracéntricas de nanoburbujas en semiconductores bidimensionales. Crédito de la imagen: Love Employee / Shutterstock.com

Aunque la modulación de sus propiedades ópticas a nanoescala ha sido reportada previamente por nanoestructuras eléctricas y mecánicas, la elucidación de la estructura electrónica local con las propiedades de emisión correspondientes no tiene precedentes.

Artículo publicado en una revista. nanomensajes Utilice una combinación de fotoluminiscencia de campo cercano (nano-PL) y microscopía de túnel de barrido (STM) para investigar las propiedades ópticas y electrónicas de las nanoburbujas en estructuras bicapa heterogéneas de seleniuro de tungsteno (WSe)2) sobre seleniuro de molibdeno (MoSe2).

Aquí, los estados electrónicos se localizaron en el borde de estas nanoburbujas, como lo muestra STM. Estos estados electrónicos eran independientes de los defectos químicos en las capas. Se observa un cambio significativo en la banda prohibida local de la nanoburbuja con evolución continua hasta el borde de la burbuja en una escala de longitud de aproximadamente 20 nm.

Las mediciones de nano-PL mostraron un desplazamiento hacia el rojo constante del excitón de la capa intermedia al ingresar a la nanoburbuja, lo que está de acuerdo con las transiciones de banda a banda medidas por STM. Además, las simulaciones autoconsistentes de Schrödinger-Poisson revelaron que un fuerte dopaje en la región de las nanoburbujas era importante para lograr estados localizados y tensión mecánica.

Nanoburbujas en TMD

Los TMD bidimensionales (2D) son muy atractivos para los estudios fundamentales de nuevos fenómenos físicos y aplicaciones, que van desde la nanoelectrónica y la nanofotónica hasta la detección y el funcionamiento a nanoescala. Los TMD de una sola capa con grandes espacios de banda directos son materiales prometedores para aplicaciones optoelectrónicas, de transistores de efecto de campo y fotovoltaicas.

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La brecha de banda en los TMD de una sola capa es sensible al entorno dieléctrico, el dopaje y el estrés mecánico, lo que proporciona una plataforma ideal para establecer un confinamiento cuántico basado en campos mecánicos o eléctricos.

Las nanoburbujas se crean cuando los elementos atrapados entre la capa atómica y el sustrato se condensan en una bolsa de presión local, uno de los defectos más comunes. Aunque a menudo no es deseable para aplicaciones de dispositivos, su capacidad para modificar la estructura electrónica de la capa atómica ha despertado un gran interés en la física de nanoburbujas.

En el caso de las familias de TMD de molibdeno y tungsteno, las nanoburbujas cambian drásticamente la banda prohibida óptica y la energía fotoluminiscente excitadora aumenta hasta varios cientos de milielectronvoltios.

Determinar el tamaño y la distribución de la tensión dentro de las nanoburbujas individuales es fundamental para comprender sus propiedades fundamentales. Esta caracterización a menudo se realiza combinando la microscopía de fuerza atómica (AFM) para medir los parámetros topológicos de las nanoburbujas con modelos basados ​​en la teoría de la elasticidad y tratando un TMD de una sola capa como una placa delgada sujeta a una carga transversal.

Según estudios previos, la emisión cuántica puede combinarse con la nanoburbuja, y los modelos de tensión desarrollados a partir de la teoría de la placa elástica conectada sugieren que la parte superior de la nanoburbuja contendrá una región de mayor tensión.

Propiedades fotoeléctricas de las nanoburbujas

Aunque los cálculos teóricos anteriores han predicho cambios significativos en la brecha de banda en los bordes de las nanoburbujas y las arrugas, estas predicciones no se han verificado experimentalmente. Además, los principales colaboradores permanecieron desconocidos, ya que investigaron emisores ópticos localizados en materiales TMD.

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En el presente trabajo, STM y técnicas de imagen local se utilizaron para medir el patrón de escala local en nanoburbujas que se asoció con mediciones ópticas de campo cercano con una resolución espacial de 10 nm. Alineación WSe aprox.2/ El Ministerio de Educación2 Se utilizó una bicapa heterogénea apilada en un electrodo de grafito/hBN para realizar las mediciones STM.

El terreno STM se obtuvo con una corriente de túnel constante y un sesgo de voltaje específico a través de un circuito de retroalimentación. Aquí, la corriente del túnel dependía de la densidad local integrada de estados entre el voltaje de polarización y el nivel de muestra de Fermi.

Además, se observaron nanoburbujas entre las capas de TMD, que se formaron durante el proceso de apilamiento a través de imágenes AFM. Los resultados mostraron que las nanoburbujas tenían un tamaño de 20 a 400 nm y una altura de 2 a 50 nm.

Además, las imágenes STM revelaron un patrón muaré dentro y fuera de las nanoburbujas, lo que indica el contacto entre MoSe.2 y WSe2 Layering y presencia de nanoburbujas bajo la bicapa heterogénea. Por lo tanto, la fabricación a temperatura ambiente a menudo da como resultado que las moléculas de agua queden atrapadas entre estas capas.

conclusión

En general, el patrón de escala local a través de las nanoburbujas se midió utilizando imágenes locales y STM, y los resultados de las mediciones se correlacionaron con mediciones ópticas de campo cercano a una resolución de nanómetros.

Alineación WSe aprox.2/ El Ministerio de Educación2 Se colocaron bicapas heterogéneas en un electrodo conductor de grafito/hBN para mediciones STM. Aquí, se determinó la orientación relativa de dos monocapas de TMD a través de la generación de segundo armónico (SHG). Las nanoburbujas se crearon durante el proceso de apilamiento en los espacios entre capas.

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Los tamaños de nanoburbujas de 20 y 400 nm y alturas de 2 a 50 nm fueron confirmados por imágenes AFM. Los resultados indican que los emisores de luz con formas deseadas arbitrariamente pueden fabricarse a nanoescala combinando geometría interfacial y nanoestructura.

referencia

Shabaní, S. y otros. (2022). Propiedades ferroeléctricas ultracéntricas de nanoburbujas en semiconductores bidimensionales. nanomensajes. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02265

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