Разработанная учеными гетероструктура из графена, нитрида бора и дихалькогенидов переходных металлов.
Двумерные материалы могут использоваться для производства туннельных диодов и транзисторов, а также создания всевозможных фотоэлектрических устройств. Также они могут быть полезны, к примеру, в маломощных электронных схемах, гибких дисплеях с низкой себестоимостью производства, сенсорах и другой гибкой электронике, которая может наноситься на любые поверхности.
Наиболее известные двумерные материалы – графен (лист углерода всего в 1 атом толщиной) и монослои дихалькогенидов переходных металлов. Дихалькогениды переходных металлов – это так называемые ван-дер-ваальсовы структуры, имеющие химическую формулу MX2, где M – представляет собой переходной металл (к примеру, молибден или вольфрам), а X – халькоген (например, сера или теллур). В рамках своей последней работы совместная группа исследователей University of Manchester и University of Sheffield из Великобритании создала светоизлучающие диоды, состоящие из листов металлического графена, гексагонального нитрида бора (изолятора) и различных полупроводниковых листов дихалькогенидов переходных металлов, составляющих сложные гетроструктуры.
Графен в данной конструкции действует, как прозрачный проводящий слой; нитрид бора – как туннельный барьер, а различные дихалькогениды выполняют роль квантовых ям. Для подачи электронов и дырок проводимости в новые устройства используются два графеновых электрода. Благодаря большому времени жизни квазичастиц в квантовых ямах (это время зависит от высоты и ширины окружающих ее барьеров нитрида бора), электроны и дырки рекомбинируют, испуская фотоны. При этом, подбирая соответствующие слои дихалькогенидов, команда имеет возможность точно настроить длину волны излучаемого света. Также они могут повысить квантовую эффективность системы (число фотонов, испускаемых на один электрон, вводимый в устройство) за счет использования нескольких квантовых ям.
Двумерные фрагменты использованных материалов ученые производили, снимая тонкие слои материалов с объемных «доноров» с помощью метода «липкой ленты». После этого слои укладывались на полимерную мембрану в желаемую гетероструктуру. Надо отметить, что дихалькогениды переходных металлов в данной структуре были использованы, благодаря широкому выбору таких материалов, а также тому факту, что монослои многих дихалькогенидов являются полупроводниками с прямой запрещенной зоной (запрещенная зона в этих материалах становится непрямой при переходе от монослоев к объемному материалу). Наличие прямой запрещенной зоны важно для таких устройств, как транзисторы, поскольку позволяет им включаться и выключаться.
Как отмечают сами исследователи, созданные гетероструктуры имеют высокую квантовую эффективность (наравне с существующими на сегодняшний день органическими светодиодами). А выбрав правильные полупроводниковые дихалькогениды, исследователи смогли обеспечить излучение устройства в широком диапазоне длин волн. В настоящее время созданные светодиоды работают в диапазоне 600 – 800 нм, но в перспективе ученые планируют расширить этот диапазон, используя другие двумерные материалы.
Поскольку устройства излучают свет по всей поверхности и могут изготавливаться на гибкой подложке, они могут использоваться в прозрачной и гибкой электронике.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Materials.
