Scalable Synthesis of Er-Yb Co-doped Monolayer WS2 on Sapphire via Halide-Assisted CVD for Advanced Optoelectronics

Stel je een wereld voor waarin de minuscule circuits in onze telefoons en computers niet zijn gemaakt van silicium, maar van vellen materiaal die zo dun zijn dat ze slechts één atoom dik zijn. Deze ultradunne lagen, bekend als tweedimensionale materialen, houden de belofte in van snellere, flexibelere en efficiëntere elektronica. Onder deze materialen heeft een stof genaamd wolfraamdisulfide de aandacht van wetenschappers getrokken omdat het uitzonderlijk goed met licht interageert, wat het een primaire kandidaat maakt voor apparaten die licht detecteren, zoals de sensoren in camera's of de ogen van toekomstige robots. Er is echter een addertje onder het gras. Wanneer onderzoekers proberen deze vellen over grote oppervlakken te laten groeien, komt het materiaal vaak uit met kleine ontbrekende stukjes, zoals een mozaïek met gaten. Deze gaten fungeren als vallen die de energie van het licht opslokken voordat het gebruikt kan worden, waardoor de resulterende apparaten dof en traag blijven. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers lang gekeken naar een andere familie elementen, de zeldzame aardmetalen, die bekend staan om hun unieke vermogen om licht te manipuleren. De uitdaging is geweest om een manier te vinden om deze zeldzame aardmetalen gelijkmatig en in grote hoeveelheden in de dunne vellen te mengen zonder de delicate structuur van het materiaal te verpesten.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om dit puzzelstuk op te lossen door grote, hoogwaardige vellen van dit lichtgevoelige materiaal te laten groeien op een hard, blauw saffieroppervlak, vergelijkbaar met het materiaal dat wordt gebruikt voor horlogewijzerplaten. Ze gebruikten een proces dat inhoudt dat chemicaliën in een buis worden verhit totdat ze in gas veranderen en zich vervolgens op het oppervlak nestelen om een kristal te vormen. Om dit op grote schaal te laten werken, voegden ze een kleine hoeveelheid van een algemeen voorkomend zout, natriumchloride, toe aan het mengsel. Dit zout fungeerde als een helper, die de temperatuur die nodig was voor de reactie verlaagde en de gasmoleculen hielp om soepel over het oppervlak te bewegen om een continue, uniforme laag te vormen in plaats van verspreide eilanden. Cruciaal was dat ze ook twee specifieke zeldzame aardelementen, erbium en ytterbium, aan het mengsel toevoegden. Deze elementen bleven niet alleen bovenop het materiaal liggen; ze gleden de lege plekken in waar atomen ontbraken, waardoor ze effectief de gaten dichtten die voorheen het energieverlies hadden veroorzaakt.

De resultaten van deze aanpak waren opmerkelijk. De onderzoekers bevestigden dat de zeldzame aardatomen succesvol de plaats hadden ingenomen van de ontbrekende wolfraatomen binnen de kristalstructuur. Deze vervanging deed twee belangrijke dingen. Ten eerste herstelde het de defecten die voorheen energie stalen, wat ervoor zorgde dat het materiaal veel helderder begon te gloeien wanneer het door licht werd geraakt. Ten tweede veranderde de aanwezigheid van deze nieuwe atomen de manier waarop het materiaal met energie omging, waarbij de kleur van het uitgezonden licht lichtjes verschoif naar het rode uiteinde van het spectrum. Toen het team eenvoudige apparaten bouwde om te testen hoe goed dit nieuwe materiaal licht kon detecteren, was het verschil duidelijk. De apparaten gemaakt van de gerepareerde, met zeldzame aardmetalen geïnfuseerde vellen waren aanzienlijk gevoeliger dan die gemaakt van het standaard, ongewijzigde materiaal. Ze konden licht detecteren met een efficiëntie die meer dan drie keer beter was, waarbij een groot deel van het invallende licht werd omgezet in een elektrisch signaal.

Deze verbetering was niet slechts een kwestie van het materiaal iets beter maken; het vertegenwoordigde een fundamentele verschuiving in hoe het materiaal presteerde. De apparaten bereikten een mate van lichtgevoeligheid die bijna tien keer de hoeveelheid licht was die hen raakte, een cijfer dat uitzonderlijk hoog is voor dit type technologie. Bovendien bereikte de efficiëntie waarmee het apparaat licht in elektriciteit omzette bijna tweeduizend procent, een getal dat suggereert dat het materiaal het licht niet alleen detecteerde, maar het ontvangen signaal ook versterkte. De onderzoekers observeerden dat deze boost voortkwam uit het feit dat de zeldzame aardatomen fungeerden als tussenstappen, waardoor het materiaal meerdere elektrische ladingen kon genereren vanuit een enkele lichtflits. Door een schaalbare methode voor het laten groeien van het materiaal te combineren met een precieze manier om de interne defecten te repareren, heeft het team een pad aangetoond naar de productie van hoogwaardige lichtsensoren die in grote hoeveelheden geproduceerd kunnen worden. Dit werk suggereert dat door de atomaire samenstelling van deze dunne vellen zorgvuldig te manipuleren, het mogelijk is om de beperkingen te overwinnen die hun gebruik in real-world elektronica hebben tegengehouden, wat de weg vrijmaakt voor een nieuwe generatie geavanceerde optische apparaten.