Согласно последней работе совместной группы ученых из США и Германии, новые гетеропереходы на основе целого класса двумерных полупроводников, известных как дихалькогениды, вполне могут использоваться для создания энергоэффективных нанооптоэлектронных устройств, к примеру, светоизлучающих диодов, лазеров, солнечных батарей и транзисторов, отличающихся высокой подвижностью носителей заряда. К такому выводу исследователи пришли после подробного лабораторного изучения гетероструктур на основе тунгстенита / молибденита. Работы в этом направлении будут продолжаться.

Дихалькогениды представляют собой слоистые полупроводниковые пленки, которые могут быть использованы при создании маломощных электронных схем, дешевых или гибких дисплеев, датчиков и даже гибких электронных компонент, наносимых на самые разнообразные поверхности.

Эти так называемые ванн-дер-ваальсовы материалы имеют химическую формулу MX₂, где M – относится к переходным металлам (это может быть, к примеру, молибден или вольфрам), а X – к халькогенам (к примеру, сера, теллур или селен).

Грубо говоря, они представляют собой полупроводники с косвенной запрещенной зоной в объеме полупроводников с прямой запрещенной зоной, размеры которых сокращены до одного молекулярного слоя (монослоя). Атомы внутри одного монослоя соединены при помощи ковалентных связей, в то время, как между собой отдельные слои материала соединяются при помощи ванн-дер-ваальсовых сил (отсюда и упомянутое выше название для семейства материалов). Эти монослои эффективно поглощают и излучают свет, таким образом, они могут стать основой создания различных оптоэлектронных устройств, к примеру, светоизлучающих диодов и солнечных батарей.

Рис. 1. Изображение и характеристики гетероструктур на основе тунгстенита / молибденита.

В рамках своей последней работы совместная группа исследователей из University of California, Lawrence Berkeley National Lab (США), а также Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Германия) изучила гетероструктуру, состоящую из монослоев WSe2 / MoS2, размещенных друг за другом. Исследование проводилось в основном при помощи фотоэмиссионной электронной микроскопии.

Собранные учеными данные показали, что в описанной структуре слой тунгстенита имеет отрицательный заряд, а молидбенита – положительный. Кроме того, они смогли наблюдать большое смещение (порядка 100 мэВ) между пиком фотолюминесценции и самым низким пиком поглощения гетероструктуры.

Эти наблюдения подразумевают присутствие в созданной структуре гетероперехода II типа; причем, данная гипотеза подтверждается данными фотоэмиссионной электронной микроскопии. Также полученные результаты показывают, что ученые в действительности могут контролировать монослои.

По мнению ученых,

наблюдаемые ими материалы можно назвать идеальными в атомарном масштабе. С их точки зрения это выгодно, когда речь идет о миниатюризации устройств и работах в области энергоэффективной электроники и оптоэлектроники.

В ближайшей перспективе ученые планируют создать подобную гетероструктуру по методу «от малого к большому», варьируя состав и расстояния между отдельными монослоями. Это необходимо для дальнейшего изучения основных физических и электронных свойств описанных гетеропереходов. Также планируется исследовать вакансии и другие дефекты в структурах.

Подробные результаты работы опубликованы в PNAS.