Övergångsmetall dikalkogenid monoskikt
Övergångsmetalldikalkogenid ( TMD eller TMDC ) monoskikt är atomärt tunna halvledare av typen MX2 , med M en övergångsmetallatom ( Mo , W , etc.) och X en kalkogenatom ( S , Se eller Te ). Ett lager av M-atomer är inklämt mellan två lager av X-atomer. De är en del av den stora familjen av så kallade 2D-material , namngivna för att understryka deras extraordinära tunnhet. Till exempel är ett MoS 2 -monoskikt endast 6,5 Å tjockt. Nyckelegenskapen hos dessa material är interaktionen mellan stora atomer i 2D-strukturen jämfört med första radens övergångsmetalldikalkogenider, t.ex. WTe 2 uppvisar onormal jättemagnetoresistans och supraledning .
Upptäckten av grafen visar hur nya fysikaliska egenskaper uppstår när en bulkkristall av makroskopiska dimensioner tunnas ut till ett atomlager. Liksom grafit , är TMD bulkkristaller bildade av monolager bundna till varandra av van-der-Waals attraktion . TMD-monoskikt har egenskaper som skiljer sig tydligt från de för halvmetallgrafen :
- TMD-monoskikt MoS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , MoTe 2 har ett direkt bandgap och kan användas i elektronik som transistorer och i optik som sändare och detektorer.
- TMD enskiktskristallstrukturen har inget inversionscentrum, vilket gör det möjligt att komma åt en ny grad av laddningsbärare, nämligen k-dalindexet, och öppna upp ett nytt fysikfält: valleytronics
- Den starka spin-omloppskopplingen i TMD-monoskikt leder till en spin-omloppsdelning på hundratals meV i valensbandet och några meV i ledningsbandet, vilket tillåter kontroll av elektronspinningen genom att ställa in excitationslaserfotonenergin och handedness.
- 2D-natur och hög spin-omloppskoppling i TMD-lager kan användas som lovande material för spintroniska applikationer.
Arbetet med TMD-monoskikt är ett framväxande forsknings- och utvecklingsfält sedan upptäckten av det direkta bandgapet och de potentiella tillämpningarna inom elektronik och dalfysik. TMD:er kombineras ofta med andra 2D-material som grafen och hexagonal bornitrid för att göra van der Waals heterostrukturer . Dessa heterostrukturer behöver optimeras för att eventuellt kunna användas som byggstenar för många olika enheter såsom transistorer, solceller , lysdioder , fotodetektorer , bränsleceller , fotokatalytiska och avkännande enheter. Vissa av dessa enheter används redan i vardagen och kan bli mindre, billigare och effektivare genom att använda TMD-monoskikt.
Kristallstruktur
Övergångsmetalldikalkogenider (TMD) är sammansatta av tre atomplan och ofta två atomarter: en metall och två kalkogener. Det hexagonala bikakenätet har trefaldig symmetri och kan tillåta spegelplanssymmetri och/eller inversionssymmetri. I den makroskopiska bulkkristallen, eller mer exakt, för ett jämnt antal monolager, har kristallstrukturen ett inversionscentrum. I fallet med ett monolager (eller vilket udda antal lager som helst), kan kristallen ha ett inversionscentrum eller inte.
Bruten inversionssymmetri
Två viktiga konsekvenser av det är:
- olinjära optiska fenomen, såsom generation av andra övertoner . När kristallen exciteras av en laser kan utfrekvensen fördubblas.
- en elektronisk bandstruktur med direkta energigap, där både lednings- och valensbandets kanter är belägna vid de icke-ekvivalenta K-punkterna (K+ och K-) i den 2D hexagonala Brillouin-zonen . Mellanbandsövergångarna i närheten av K+ (eller K-) punkten är kopplade till höger (eller vänster) cirkulära fotonpolarisationstillstånd. Dessa så kallade dalberoende optiska urvalsregler härrör från inversionssymmetribrott. Detta tillhandahåller en bekväm metod för att adressera specifika daltillstånd (K+ eller K-) genom cirkulärt polariserad (höger eller vänster) optisk excitation. I kombination med stark spin-splitning kopplas spinn- och dalfrihetsgraden ihop, vilket möjliggör stabil dalpolarisering.
Dessa egenskaper indikerar att TMD-monoskikt representerar en lovande plattform för att utforska spinn- och dalfysik med motsvarande möjliga tillämpningar.
Egenskaper
Transportfastigheter
På submikronskalor har 3D-material inte längre samma beteende som deras 2D-form, vilket kan vara en fördel. Till exempel grafen en mycket hög bärarrörlighet och medföljande lägre förluster genom Joule-effekten . Men grafen har noll bandgap , vilket resulterar i ett diskvalificerande lågt på/av-förhållande i transistorapplikationer. TMD-monoskikt kan vara ett alternativ: de är strukturellt stabila, uppvisar ett bandgap och visar elektronmobiliteter som är jämförbara med de för kisel , så att de kan användas för att tillverka transistorer.
Även om tunnskikts-TMD har visat sig ha en lägre elektronrörlighet än bulk-TMD, troligen för att deras tunnhet gör dem mer mottagliga för skador, har det visat sig att beläggning av TMD med HfO 2 eller hexagonal bornitrid (hBN) ökar deras effektiv transportörsrörlighet.
Optiska egenskaper
| A (eV) | A (nm) | B (eV) | B (nm) | |
|---|---|---|---|---|
| MoS 2 | 1,78 | 695 | 1,96 | 632 |
| MoSe 2 | 1,50 | 825 | 1,75 | 708 |
| MoTe 2 | 1.06 | 1170 | 1,36 | 912 |
| WS 2 | 1,84 | 673 | 2.28 | 544 |
| WSe 2 | 1,52 | 815 | 2.00 | 620 |
En halvledare kan absorbera fotoner med energi större än eller lika med dess bandgap. Det betyder att ljus med kortare våglängd absorberas. Halvledare är typiskt effektiva sändare om minimum av ledningsbandsenergin är i samma position i k-utrymme som maximum för valensbandet, dvs bandgapet är direkt. Bandgapet för bulk TMD-material ner till en tjocklek av två monolager är fortfarande indirekt, så emissionseffektiviteten är lägre jämfört med monolagermaterial. Emissionseffektiviteten är cirka 104 högre för TMD-monoskikt än för bulkmaterial. Bandgapen för TMD-monoskikt är i det synliga området (mellan 400 nm och 700 nm). Den direkta emissionen visar två excitoniska övergångar som kallas A och B, åtskilda av spin-omloppskopplingsenergin . Den lägsta energin och därför viktigast i intensitet är A-emissionen. På grund av deras direkta bandgap är TMD-monoskikt lovande material för optoelektroniktillämpningar .
Atomskikt av MoS 2 har använts som fototransistor och ultrakänsliga detektorer. Fototransistorer är viktiga enheter: den första med en MoS 2 monolager aktiv region visar en fotoresponsivitet på 7,5 mA W −1 vilket liknar grafenenheter som når 6,1 mA W −1 . Multilayer MoS 2 visar högre fotoresponsivitet, cirka 100 mA W- 1 , vilket liknar kiselenheter. Genom att göra en guldkontakt vid de bortre kanterna av ett monolager kan en ultrakänslig detektor tillverkas. en fotoresponsivitet som når 880 AW −1 , 106 större än de första grafenfotodetektorerna . Denna höga grad av elektrostatisk kontroll beror på den tunna aktiva delen av monoskiktet. Dess enkelhet och det faktum att den bara har en halvledarregion, medan den nuvarande generationen av fotodetektorer vanligtvis är en p–n-övergång , möjliggör industriella tillämpningar som högkänsliga och flexibla fotodetektorer. Den enda begränsningen för för närvarande tillgängliga enheter är den långsamma fotoresponsdynamiken.
Mekaniska egenskaper
Intresset för användningen av TMD-monoskikt som MoS 2, WS 2 och WSe 2 för användning i flexibel elektronik på grund av en förändring från ett indirekt bandgap i 3D till ett direkt bandgap i 2D understryker vikten av de mekaniska egenskaperna hos dessa material. Till skillnad från bulkprover är det mycket svårare att enhetligt deformera 2D-monoskikt av material och som ett resultat är det mer utmanande att utföra mekaniska mätningar av 2D-system. En metod som utvecklades för att övervinna denna utmaning, kallad atomic force microscopy (AFM) nanoindentation, innebär att böja ett 2D-monoskikt upphängt över ett håligt substrat med en AFM-konsol och mäta den applicerade kraften och förskjutningen. Genom denna metod visade sig defektfria mekaniskt exfolierade monolagerflingor av MoS 2 ha en Youngs modul på 270 GPa med en maximal upplevd töjning på 10 % innan de gick sönder. I samma studie fann man att tvåskikts mekaniskt exfolierade MoS 2 -flingor har en lägre Youngs modul på 200 GPa, vilket tillskrivs mellanskiktets glidning och defekter i monoskiktet. Med ökande flingtjocklek spelar flingans böjstyvhet en dominerande roll och det visar sig att Youngs modul för flerskikts, 5-25 lager, mekaniskt exfolierade MoS 2 flingor är 330 GPa.
De mekaniska egenskaperna hos andra TMD såsom WS 2 och WSe 2 har också fastställts. Youngs modul för flerskikts, 5-14 lager, mekaniskt exfolierad WSe 2 har visat sig vara 167 GPa med en maximal töjning på 7%. För WS2 är Youngs modul för kemiska ångavsatta monolagerflingor 272 GPa. Från samma studie visar sig Youngs modul för CVD-odlade monolagerflingor av MoS 2 vara 264 GPa. Detta är ett intressant resultat eftersom Youngs modul för den exfolierade MoS 2 -flingan är nästan densamma som för den CVD-odlade MoS 2 -flingan. Det är allmänt accepterat att kemiskt ångadeponerade TMD:er kommer att innehålla fler defekter jämfört med de mekaniskt exfolierade filmerna som erhålls från bulk enkristaller, vilket innebär att defekter (spetsdefekter, etc.) som ingår i flingan inte drastiskt påverkar styrkan hos själva flingan.
Under applicering av töjning mäts en minskning av det direkta och indirekta bandgapet som är ungefär linjärt med töjningen. Viktigt är att det indirekta bandgapet minskar snabbare med påförd töjning på monoskiktet än det direkta bandgapet, vilket resulterar i en övergång från direkt till indirekt bandgap vid en töjningsnivå på cirka 1 %. Som ett resultat förväntas emissionseffektiviteten för monoskikt att minska för mycket ansträngda prover. Denna egenskap tillåter mekanisk avstämning av den elektroniska strukturen och även möjligheten att tillverka enheter på flexibla substrat.
Tillverkning av TMD-monoskikt
Exfoliering
Peeling är en uppifrån och ner -strategi. I bulkform är TMDs kristaller gjorda av lager, som är kopplade av Van-der-Waals krafter. Dessa interaktioner är svagare än de kemiska bindningarna mellan Mo och S i MoS 2 , till exempel. Så TMD-monoskikt kan produceras genom mikromekanisk klyvning, precis som grafen.
Kristallen av TMD gnids mot ytan av ett annat material (vilken fast yta som helst). I praktiken placeras tejp på TMD-bulkmaterialet och avlägsnas därefter. Den självhäftande tejpen, med små TMD-flingor som kommer från bulkmaterialet, förs ner på ett substrat. När den självhäftande tejpen avlägsnas från underlaget avsätts TMD-enkelskikts- och flerskiktsflingor. Denna teknik producerar små prover av monolagermaterial, vanligtvis cirka 5–10 mikrometer i diameter.
Stora mängder exfolierat material kan också tillverkas med vätskefasexfoliering genom att blanda TMD-material med lösningsmedel och polymerer.
Kemisk ångavsättning
Kemisk ångavsättning (CVD) är ett annat tillvägagångssätt som används för att syntetisera övergångsmetalldikalkogenider. Det har använts brett för att syntetisera många olika TMD eftersom det enkelt kan anpassas för olika TMD-material. Generellt uppnås CVD-tillväxt av TMD genom att sätta prekursorer till materialet, typiskt en övergångsmetalloxid och ren kalkogen, i en ugn med substratet på vilket materialet kommer att bildas. Ugnen värms upp till höga temperaturer (var som helst från 650 till 1000 °C) med en inert gas, typiskt N2 eller Ar, som strömmar genom röret. Vissa material kräver H2 - gas som en katalysator för bildning, så den kan strömma genom ugnen i mindre mängder än den inerta gasen.
Utanför traditionell CVD har metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD) använts för att syntetisera TMD. Till skillnad från traditionell CVD som beskrivs ovan använder MOCVD gasformiga prekursorer, till skillnad från fasta prekursorer och MOCVD utförs vanligtvis vid lägre temperaturer, var som helst från 300 till 900 °C. MOCVD har visat sig ge mer konsekvent tillväxt i wafer-skala än traditionell CVD.
CVD används ofta över mekanisk exfoliering trots sin extra komplexitet eftersom det kan producera monolager som sträcker sig från 5 till 100 mikron i storlek i motsats till ytareorna på ungefär 5-10 mikron som produceras med den mekaniska exfolieringsmetoden. TMD-monoskikt som produceras av CVD har inte bara en större yta än de flingor som produceras genom mekanisk exfoliering, de är ofta mer enhetliga. Enskikts TMD-flingor med mycket små eller inga flerskiktsytor kan framställas genom kemisk ångavsättning, till skillnad från prover framställda genom mekanisk exfoliering, som ofta har många flerskiktsområden. Geometriskt begränsade växttekniker har också nyligen tillämpats för att realisera wafer-skala enkeldomän TMD monolager arrayer och deras heterostrukturer.
Molecular-beam epitaxi
Molecular-beam epitaxi (MBE) är en etablerad teknik för att odla halvledarenheter med atomär monolagertjocklekskontroll. MBE har använts för att odla olika TMDs, såsom MoSe 2 , WSe 2 , och tidiga övergångsmetaller , inklusive titan , vanadin och krom , tellurider, vilket resulterar i extremt rena prover med en tjocklek på endast 0,5 monolager.
Tillväxten sker i ultrahögt vakuum (UHV) . Prekursorer för målmaterialen placeras i förångningsceller, vanligtvis som pulver (till exempel selen ), eller som en stav (till exempel molybden ). Vissa grundämnen, såsom selen och tellur , som båda är kalkogener , kan användas i ren fast form som prekursorer. Vissa grundämnen kan dock endast användas när de extraheras från fasta föreningar, såsom svavel från FeS 2 . De sammansatta materialen bryts ned genom att värma upp materialet vid UHV-tryck. Förångningscellerna är antingen Knudsen-celler eller elektronstråleförångningsbaserade, beroende på material; elektronstråleindunstning fungerar med stavar och kan användas för att nå höga temperaturer utan att överhetta värmande filament, medan Knudsen-celler är lämpliga för pulver och material med lägre förångningspunkt. De förångade materialen riktas sedan mot substratet; några vanliga är MoS 2 , HOPG , glimmer eller ett safirsubstrat, såsom Al 2 O 3 . Ett specifikt substrat väljs för att passa den riktade tillväxten bäst. Substratet hålls uppvärmt under processen för att öka tillväxten, med temperaturer från 300 °C till 700 °C. Temperaturen på substratet är en nyckelfaktor för tillväxten, och att ändra den kan användas för att odla olika faser, såsom 1T och 2H, av samma material.
MBE har vissa fördelar när det gäller både manuell peeling och CVD. Användning av reflekterande högenergielektrondiffraktion (RHEED) möjliggör in-situ övervakning av tillväxten, och detta med UHV och långsam tillväxthastighet gör att man kan skapa rena, atomärt tunna monolager. Förbättringen av provkvaliteten är avsevärd jämfört med exfoliering, eftersom MBE är effektivare för att få bort de stora flingorna och föroreningarna. I motsats till CVD visar sig MBE vara fördelaktigt när enskiktiga TMD:er krävs. Nackdelen med MBE är att det är en relativt komplicerad process som kräver stora mängder specialiserad utrustning. Att upprätthålla UHV kan vara svårt, och beredningen av prover går långsammare än i de två andra metoderna.
Elektrokemisk avsättning
Elektrodeposition är bland de tekniker som har dykt upp för att producera TMDC-halvledare som MoS 2 , WS 2 och WSe 2 . Flera rapporter har visat kontrollerad elektroavsättning av TMDC-lager ner till ett monolager. Materialen har hittills visat kontinuerliga filmer med god likformighet men kräver typiskt glödgningstemperaturer > 500 °C. Elektrodepositioner av TMDC-filmer har framgångsrikt rapporterats över ledande filmer som grafen och TiN och över en SiO 2 -isolator genom att TMDC odlas i sidled med utgångspunkt från en ledande film.
Elektronisk bandstruktur
Bandgap
I bulkformen har TMD ett indirekt gap i mitten av Brillouin-zonen , medan i monolagerform blir gapet direkt och ligger i K-punkterna.
Spin-omloppskoppling
| valensbandet splittring (eV) |
Ledningsbandet splittring (eV) |
|
|---|---|---|
| MoS 2 | 0,148 | 0,003 |
| WS 2 | 0,430 | 0,026 |
| MoSe 2 | 0,184 | 0,007 |
| WSe 2 | 0,466 | 0,038 |
| MoTe 2 | 0,219 | 0,034 |
För TMD:er är atomerna tunga och de yttre skiktens elektroniska tillstånd är från d-orbitaler som har en stark spin-omloppskoppling . Denna spinnomloppskoppling tar bort spinns degeneration i både lednings- och valensbandet, dvs introducerar en stark energiuppdelning mellan spinn upp och ner tillstånd. I fallet med MoS 2 är spinndelningen i ledningsbandet i meV-området, den förväntas vara mer uttalad i annat material som WS 2 . Spinnomloppsdelningen i valensbandet är flera hundra meV.
Spin-dal-koppling och elektrondalens frihetsgrad
Genom att kontrollera laddnings- eller spinnfrihetsgraden för bärare, som föreslagits av spintronics , har nya anordningar redan tillverkats. Om det finns olika lednings-/valensbandsextrema i den elektroniska bandstrukturen i k-utrymme, kan bäraren begränsas i en av dessa dalar. Denna grad av frihet öppnar upp ett nytt fysikfält: styrningen av bärares k-dalsindex, även kallat valleytronik .
För TMD-monoskiktskristaller är paritetssymmetrin bruten, det finns inget mer inversionscentrum. K-dalar i olika riktningar i den 2D-hexagonala Brillouin-zonen är inte längre likvärdiga. Så det finns två sorters K-dal som kallas K+ och K-. Det finns också en stark energidegeneration av olika spinntillstånd i valensbandet. Omvandlingen av en dal till en annan beskrivs av tidsomkastningsoperatören . Dessutom leder kristallsymmetri till dalberoende optiska urvalsregler: en högercirkulärt polariserad foton (σ+) initierar en bärare i K+-dalen och en vänster cirkulär polariserad foton (σ-) initierar en bärare i K-dalen. Tack vare dessa två egenskaper (spin-dal-koppling och optiska urvalsregler) tillåter en laser med specifik polarisation och energi att initiera elektrondalstillstånden (K+ eller K-) och spinntillstånden (upp eller ner).
Emission och absorption av ljus: excitoner
Ett enda lager TMD kan absorbera upp till 20 % av det infallande ljuset, vilket är oöverträffat för ett så tunt material. När en foton med lämplig energi absorberas av ett TMD-monoskikt skapas en elektron i ledningsbandet; elektronen som nu saknas i valensbandet assimileras av en positivt laddad kvasipartikel som kallas ett hål. Den negativt laddade elektronen och det positivt laddade hålet attraheras via Coulomb-interaktionen och bildar ett bundet tillstånd som kallas en exciton som kan ses som en väteatom (med viss skillnad). Denna Bosonic-liknande kvasipartikel är mycket välkänd och studerad i traditionella halvledare, såsom GaAs och ZnO men i TMD ger den nya spännande möjligheter för tillämpningar och för att studera fundamental fysik. Faktum är att den minskade dielektriska screeningen och kvantstorlekseffekten som finns i dessa ultratunna material gör bindningsenergin hos excitoner mycket starkare än de i traditionella halvledare. Bindningsenergier på flera hundra meV observeras för alla de fyra huvudmedlemmarna i TMD-familjen.
0 Som nämnts tidigare kan vi tänka på en exciton som om den vore en väteatom, med en elektron bunden till ett hål. Den största skillnaden är att detta system inte är stabilt och tenderar att slappna av till vakuumtillståndet, vilket här representeras av en elektron i valensbandet. Energiskillnaden mellan excitonens "grundtillstånd" (n=1) och "vakuumtillståndet" kallas optiskt gap och är energin hos fotonen som emitteras när en exciton rekombinerar. Detta är energin hos fotonerna som emitteras av TMD-monoskikt och observeras som enorma emissionstoppar i fotoluminescensexperiment (PL), som den som är märkt med X i figuren. I denna bild definieras bindningsenergin E B som skillnaden mellan det fria partikelbandgapet och det optiska bandgapet och representerar, som vanligt, energin som behövs för att ta isär hålet och elektronen. Förekomsten av denna energiskillnad kallas bandgapsrenormalisering. Analogin med väteatom slutar inte här eftersom excitoniska exciterade tillstånd observerades vid högre energier och med olika tekniker.
På grund av spin-omloppsdelningen av valensbandet finns två olika serier av excitoner i TMD, kallade A- och B-excitoner. I A-serien är hålet placerat i den övre grenen av valensbandet medan för B-excitonen är hålet i den nedre grenen. Som en konsekvens är det optiska gapet för B-exciton större och motsvarande topp återfinns vid högre energi i PL- och reflektionsmätningar.
En annan topp uppträder vanligtvis i PL-spektra av TMD-monoskikt, som är associerad med olika kvasipartiklar som kallas trioner . Dessa är excitoner bundna till en annan fri bärare som kan vara antingen en elektron eller ett hål. Som en konsekvens är en trion ett negativt eller positivt laddat komplex. Närvaron av en stark trion-topp i ett PL-spektrum, så småningom starkare än toppen som är associerad med excitonrekombination, är en signatur för ett dopat monolager. Man tror nu att denna dopning är yttre, vilket betyder att den härrör från laddade fälltillstånd som finns i substratet (vanligen SiO 2 ). Att placera ett TMD-monoskikt mellan två flingor av hBN tar bort denna yttre doping och ökar den optiska kvaliteten på provet avsevärt.
Vid högre excitationseffekter har biexcitoner också observerats i monolager TMD. Dessa komplex bildas av två bundna excitoner. Teorin förutspår att även större laddningsbärarkomplex, såsom laddade biexcitoner (quintoner) och jonbundna biexcitoner, är stabila och bör vara synliga i PL-spektra. Dessutom har kvantljus observerats härröra från punktdefekter i dessa material i en mängd olika konfigurationer.
Strålningseffekter av TMD-monoskikt
Vanliga former av strålning som används för att skapa defekter i TMD är partikel- och elektromagnetisk strålning, som påverkar strukturen och elektroniska prestanda hos dessa material. Forskare har studerat strålningsresponsen från dessa material för att användas i miljöer med hög strålning, såsom rymd- eller kärnreaktorer. Skador på denna unika klass av material uppstår huvudsakligen genom sputtering och förskjutning för metaller eller radiolys och laddning av isolatorer och halvledare. För att sputtera bort en atom måste elektronen kunna överföra tillräckligt med energi för att övervinna tröskeln för knock-on skada. Ändå måste den exakta kvantifierbara bestämningen av denna energi fortfarande bestämmas för TMD. Betrakta MoS 2 som ett exempel, TEM-exponering via sputtering skapar vakanser i gittret, dessa vakanser observeras sedan samlas ihop i spektroskopiska linjer. Dessutom, när man tittar på strålningsresponsen från dessa material, är de tre parametrarna som har visat sig vara mest betydelsefulla valet av substrat, provtjockleken och provberedningsprocessen.
Janus TMD monolager
En ny typ av asymmetrisk övergångsmetalldikalkogenid, Janus TMDs monolager, har syntetiserats genom att bryta den strukturella symmetrin utanför planet via plasmaassisterad kemisk ångavsättning . Janus TMDs monolager visar en asymmetrisk struktur MXY (M = Mo eller W, X/Y = S, Se eller Te) som uppvisar optisk dipol och piezoelektricitet utanför planet på grund av obalansen i den elektroniska vågfunktionen mellan dikalkogeniderna, vilket är frånvarande i ett opolärt TMD-monoskikt, MX2 . Dessutom ger den asymmetriska strukturen hos Janus MoSSe en förbättrad Rashba-spin-omloppsinteraktion , vilket antyder att ett asymmetriskt Janus TMDs monolager kan vara en lovande kandidat för spintroniska applikationer. Dessutom Janus TMDs monolager ansetts vara ett utmärkt material för elektrokatalys eller fotokatalys .
Janus MoSSe kan syntetiseras av induktivt kopplad plasma CVD (ICP-CVD). Det översta lagret av svavelatomer på MoS 2 avlägsnas med vätejoner, vilket bildar ett mellantillstånd, MoSH. Efteråt seleniseras det mellanliggande tillståndet genom termisk glödgning vid 250 °C i en miljö av väte och argongaser.
Aspirationsanvändningar
Elektronik
En fälteffekttransistor (FET) gjord av monolager MoS 2 visade ett på/av-förhållande som översteg 10 8 vid rumstemperatur på grund av elektrostatisk kontroll över ledningen i 2D-kanalen. FETs tillverkade av MoS2 , MoSe2 , WS2 och WSe2 har tillverkats . Alla visar lovande inte bara på grund av deras elektronrörlighet och bandgap, utan för att deras mycket tunna struktur gör dem lovande för användning i tunn, flexibel elektronik.
Avkänning
Bandgap TMDs har gör dem attraktiva för sensorer som ersättning för grafen. FET-baserade biosensorer förlitar sig på receptorer fästa till monolager-TMD. När målmolekyler fäster vid receptorerna påverkar det strömmen som flyter genom transistorn.
Det har dock visat sig att man kan detektera kvävehaltiga baser i DNA när de passerar genom nanoporer gjorda i MoS 2 . Nanopore-sensorer är baserade på att mäta jonström genom en nanopore i ett material. När en enkel DNA-sträng passerar genom poren sker en markant minskning av jonströmmen för varje bas. Genom att mäta strömmen som flyter genom nanoporen kan DNA:t sedan sekvenseras.
Hittills har de flesta sensorer skapats från MoS 2 , även om WS 2 också har utforskats.
Specifika exempel
Molybdendisulfid
Molybdendisulfidmonoskikt består av en enhet av ett skikt av molybdenatomer kovalent bundna till två skikt av svavelatomer. Medan molybdensulfid i bulk existerar som 1T-, 2H- eller 3R-polymorfer, finns molybdendisulfidmonoskikt endast i 1T- eller 2H-formen. 2H-formen antar en trigonal prismatisk geometri medan 1T-formen antar en oktaedrisk eller trigonal antiprismatisk geometri. Molybdenmonoskikt kan också staplas på grund av Van der Waals-interaktioner mellan varje lager.
Elektrisk
De elektriska egenskaperna hos molybdensulfid i elektriska apparater beror på faktorer som antalet skikt, syntesmetoden, typen av substrat som monoskikten placeras på och mekanisk belastning.
När antalet lager minskar börjar bandgapet att öka från 1,2 eV i bulkmaterialet upp till ett värde på 1,9 eV för ett monolager. Udda antal molybdensulfidlager ger också andra elektriska egenskaper än jämna antal molybdensulfidlager på grund av cyklisk sträckning och frigöring som finns i det udda antalet lager. Molybdensulfid är ett material av p-typ, men det visar ambipolärt beteende när molybdensulfidmonoskikt som var 15 nm tjocka användes i transistorer. De flesta elektriska anordningar som innehåller molybdensulfidmonoskikt tenderar dock att uppvisa n-typ beteende.
Bandgapet för molybdendisulfidmonoskikt kan också justeras genom att applicera mekanisk påkänning eller ett elektriskt fält. Ökande mekanisk påkänning förskjuter fononlägena för molybdensulfidskikten. Detta resulterar i en minskning av bandgapet och metall-till-isolator-övergång. Att applicera ett elektriskt fält på 2-3Vnm −1 minskar också det indirekta bandgapet för molybdensulfiddubbelskikt till noll.
Lösningsfas litiuminterkalering och exfoliering av molybdensulfid i bulk ger molybdensulfidskikt med metallisk och halvledande karaktär på grund av fördelningen av 1T- och 2H-geometrier i materialet. Detta beror på att de två formerna av molybdensulfidmonoskikt har olika elektriska egenskaper. 1T-polymorfen av molybdensulfid är av metallisk karaktär medan 2H-formen är mer halvledande. Emellertid är molybdendisulfidskikt som produceras genom elektrokemisk litiuminterkalering övervägande 1T och således metalliska till sin karaktär eftersom det inte sker någon omvandling till 2H-formen från 1T-formen.
Termisk
Värmeledningsförmågan för molybdendisulfidmonoskikt vid rumstemperatur är 34,5 W/mK medan den termiska ledningsförmågan för molybdendisulfid med få skikt är 52W/mK. Värmeledningsförmågan hos grafen är å andra sidan 5300W/mK. På grund av den ganska låga värmeledningsförmågan hos nanomaterial av molybdendisulfid är det inte lika lovande material för höga termiska tillämpningar som vissa andra 2D-material.
Syntes
Exfoliering
Exfolieringstekniker för isolering av molybdendisulfidmonoskikt inkluderar mekanisk exfoliering, lösningsmedelsassisterad exfoliering och kemisk exfoliering.
Lösningsmedelsassisterad exfoliering görs genom att sonikera molybdendisulfid i bulk i ett organiskt lösningsmedel såsom isopropanol och N-metyl-2-pyrrolidon, som dispergerar bulkmaterialet till nanoark när Van der Waals-interaktionerna mellan skikten i bulkmaterialet bryts. Mängden producerade nanoark styrs av ultraljudsbehandlingstiden, interaktionerna mellan lösningsmedel och molybdendisulfid och centrifugeringshastigheten. Jämfört med andra exfolieringstekniker är lösningsmedelsassisterad exfoliering den enklaste metoden för storskalig produktion av molybdendisulfid nanoark.
Den mikromekaniska exfolieringen av molybdendisulfid inspirerades av samma teknik som användes vid isolering av grafennanoark. Mikromekanisk exfoliering möjliggör lågdefekta molybdendisulfid nanoark men är inte lämplig för storskalig produktion på grund av lågt utbyte.
Kemisk exfoliering involverar funktionalisering av molybdendifsulfid och sedan sonikering för att dispergera nanoarken. Den mest anmärkningsvärda kemiska exfolieringstekniken är litiuminterkalering där litium interkaleras till molybdendisulfid i bulk och sedan dispergeras i nanoark genom tillsats av vatten.
Kemisk ångavsättning
Kemisk ångavsättning av molybdendisulfid nanoskivor innebär att molybden- och svavelprekursorer reagerar på ett substrat vid höga temperaturer. Denna teknik används ofta för att förbereda elektriska apparater med molybdendisulfidkomponenter eftersom nanoarken appliceras direkt på substratet; ogynnsamma interaktioner mellan substratet och nanoskivorna som skulle ha inträffat om de hade syntetiserats separat minskar. Dessutom, eftersom tjockleken och arean av molybdendisulfid nanoskivorna kan styras genom valet av specifika prekursorer, kan de elektriska egenskaperna hos nanoarken justeras.
- Galvanisering
Bland de tekniker som har använts för att deponera molybdendisulfid är elektroplätering. Ultratunna filmer bestående av få lager har producerats via denna teknik över grafenelektroder. Dessutom elektropläterades även andra elektrodmaterial med MoS2, såsom titannitrid (TiN), glasartat kol och polytetrafluoreten. Fördelen som denna teknik erbjuder vid framställning av 2D-material är dess rymdtillväxtselektivitet och dess förmåga att avsätta över 3D-ytor. Kontroll av tjockleken på elektrolytiskt utfällda material kan uppnås genom att justera avsättningstiden eller strömmen.
Laser ablation
Pulsad laseravsättning involverar uttunning av molybdendisulfid i bulk med laser för att producera enkel- eller flerskiktiga molybdendisulfid nanoark. Detta möjliggör syntes av molybdendisulfid nanoark med en definierad form och storlek. Kvaliteten på nanoarken bestäms av laserns energi och bestrålningsvinkeln.
Lasrar kan också användas för att bilda molybdendisulfid nanosheets från molybdendisulfid fulleren -liknande molekyler.
Hafniumdisulfid
Hafniumdisulfid ( HfS
2 ) har en skiktad struktur med stark kovalent bindning mellan Hf- och S-atomerna i ett skikt och svaga van der Waals-krafter mellan skikten. Föreningen har CdI2 och är ett halvledande material
med indirekt bandgap. Mellanskiktsavståndet mellan skikten är 0,56 nm, vilket är litet jämfört med grupp VIB TMDs som MoS
2 , vilket gör det svårt att klyva dess atomskikt. Men nyligen har dess kristaller med stort mellanskikt vuxit med hjälp av en kemisk ångtransportväg. Dessa kristaller exfolierar i lösningsmedel som N-cyklohexyl-2-pyrrolidon (CHP) på bara några minuter, vilket resulterar i en högutbytesproduktion av dess få lager vilket resulterar i en ökning av dess indirekta bandgap från 0,9 eV till 1,3 eV. Som en tillämpning inom elektronik har dess fälteffekttransistorer realiserats med hjälp av dess få lager som ett ledande kanalmaterial som erbjuder ett högt strömmodulationsförhållande större än 10 000 vid rumstemperatur. Därför har grupp IVB TMD också potentiella tillämpningar inom området optoelektronik.
Volframdiselenid
Volframdiselenid är en oorganisk förening med formeln WSe
2 . Föreningen antar en hexagonal kristallin struktur som liknar molybdendisulfid . Varje volframatom är kovalent bunden till sex selenligander i en trigonal prismatisk koordinationssfär, medan varje selen är bunden till tre volframatomer i en pyramidal geometri. Volfram-selenbindningen har ett bindningsavstånd på 2,526 Å och avståndet mellan selenatomerna är 3,34 Å. Lager staplas ihop via van der Waals-interaktioner . WSe
2 är en stabil halvledare i grupp-VI övergångsmetall dikalkogenider . Det elektroniska bandgapet för WSe
2 kan ställas in genom mekanisk påkänning som också kan möjliggöra omvandling av bandtypen från indirekt till direkt i ett WSe
2 -dubbelskikt.
externa länkar
- Wood, Charlie (2022-08-16). "Fysikduon hittar magi i två dimensioner" . Quanta Magazine .