Sondeo de las propiedades de las nanoburbujas en semiconductores 2D

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

Estudiar: Propiedades optoelectrónicas ultralocalizadas de nanoburbujas en semiconductores 2D. Haber de imagen: Empleado de Love/Shutterstock.com

Aunque la modulación de sus propiedades ópticas a nanoescala se ha informado previamente a través de la nanoestructuración eléctrica y mecánica, una ilustración de la estructura electrónica local con las propiedades de emisión correspondientes no tiene precedentes.

Un artículo publicado en la revista de Nano-letras usó una combinación de fotoluminiscencia de campo cercano (nano-PL) y microscopía de túnel de barrido (STM) para probar las propiedades ópticas y electrónicas de las nanoburbujas en heteroestructuras bicapa de seleniuro de tungsteno (WSe2) sobre seleniuro de molibdeno (MoSe2).

Aquí, los estados electrónicos se han localizado en el borde de estas nanoburbujas, como lo muestra STM. Estos estados electrónicos eran independientes de los defectos químicos en las capas. Se observó una modificación significativa de la banda prohibida local de la nanoburbuja con una evolución incesante hacia el borde de la burbuja en una escala de longitud de aproximadamente 20 nanómetros.

Las mediciones de nano-PL demostraron un desplazamiento hacia el rojo constante del excitón de la capa intermedia en la entrada de la nanoburbuja, que correspondía a 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 es importante para obtener los estados localizados y la deformación 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 actuación a nanoescala. Los TMD de una sola capa con grandes espacios de banda directos son materiales prometedores para aplicaciones optoelectrónicas, transistores de efecto de campo y células fotovoltaicas.

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La banda prohibida en los TMD de una sola capa es sensible al entorno dieléctrico, el dopaje y la tensión mecánica, lo que proporciona una plataforma ideal para crear un confinamiento cuántico basado en un campo mecánico o eléctrico.

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Las nanoburbujas se crean cuando los elementos atrapados entre la capa atómica y el sustrato se condensan en una bolsa de presión local, que se encuentra entre las imperfecciones más comunes. Aunque a menudo no son deseables para aplicaciones de dispositivos, su capacidad para alterar la estructura electrónica de la capa atómica ha generado un interés considerable en la física de las nanoburbujas.

En el caso de las familias de TMD de molibdeno y tungsteno, las nanoburbujas modifican considerablemente la banda prohibida óptica y la energía de la fotoluminiscencia excitónica se incrementa hasta varios cientos de milielectronvoltios.

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

Según estudios previos, la emisión cuántica puede co-localizarse con una nanoburbuja, y los modelos de tensión desarrollados a partir de la teoría de la placa elástica continua indican que la parte superior de la nanoburbuja tendrá una sola región de mayor tensión.

Propiedades optoelectrónicas de las nanoburbujas

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

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En el presente trabajo, STM y técnicas de imagen local se utilizaron para medir el patrón de banda local en nanoburbujas que se correlacionó con mediciones ópticas de campo cercano con una resolución espacial de 10 nanómetros. El WSe casi alineado2/MoSe2 Se usó una hetero-bicapa apilada en un electrodo de grafito/hBN para realizar las mediciones STM.

La topografía STM se obtuvo con una corriente de tunelización constante y con un sesgo de voltaje particular a través de un circuito de retroalimentación. Aquí, la corriente de tunelización se basó en la densidad local integrada de estados entre el voltaje de polarización y el nivel de Fermi de la muestra.

Además, se observaron nanoburbujas entre las capas de TMD, formadas durante el proceso de apilamiento a través de imágenes AFM. Los resultados revelaron que las nanoburbujas tienen un tamaño de 20 a 400 nanómetros y una altura de 2 a 50 nanómetros.

Además, las imágenes STM revelaron la presencia de un patrón muaré tanto en el exterior como en las nanoburbujas, lo que indica el contacto entre el MoSe2 y WSe2 capas y la existencia de nanoburbujas bajo la hetero-bicapa. Por lo tanto, la fabricación a temperatura ambiente a menudo resultó en el atrapamiento de moléculas de agua entre estas capas.

Conclusión

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

WSe casi alineado2/MoSe2 las heterobicapas se colocaron en un electrodo conductor de grafito/hBN para mediciones STM. Aquí, la orientación relativa de dos monocapas TMD se estableció a través de la generación de segundo armónico (SHG). Las nanoburbujas se crearon durante el proceso de apilamiento en los espacios entre las capas.

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Se confirmaron tamaños de nanoburbujas de 20 y 400 nanómetros y alturas de 2 a 50 nanómetros a partir de imágenes AFM. Los resultados sugieren que los emisores de luz con formas deseadas arbitrariamente pueden fabricarse a nanoescala combinando ingeniería interfacial con nanopatrones.

Referencia

Shabani, S. y otros. (2022). Propiedades optoelectrónicas ultralocalizadas de nanoburbujas en semiconductores 2D. Nano-letras. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02265

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