„Vékony” siker az optoelektronikában
A Bécsi Műszaki Egyetem Fotonikai Intézete sajtóközleményben számolt be arról, hogy elsőként sikerült megvalósítaniuk egy olyan különleges diódát, amelynek kristályos szerkezetű rétege mindössze három atomnyi (!) vastagságú. Az ilyen ultravékony kristályok most igazolt tulajdonságai korábban elképzelhetetlen lehetőségeket ígérnek a napelemek, fotodiódák és ledek konstrukciójában.
Osztrák kutatók kétdimenziós, félvezető kristályszerkezetet hoztak létre
A Nature Nanotechnology folyóiratban nemrég publikált eredeti közlemény nemcsak a wolfram-diszelenid (WSe2) alapanyagú p-n átmenet működőképességét dokumentálja, hanem számos alkalmazásban való használhatóságára is rámutat.
Irányváltás az optoelektronikában?
Az elektronikus eszközökhöz félvezető tulajdonságú anyagokra van szükség. A ma leggyakrabban használt félvezető-alapanyag a szilícium, amelyből háromdimenziós kristályszerkezetű rétegeket építve készítenek félvezető eszközöket. Az eredmény rugalmatlan, ráadásul a gyártástechnológia meglehetősen költséges. A szerves anyagú félvezetők és a vékonyréteg-technológiák is gyenge minőségűek és kevéssé tartósak. Az egy- vagy néhány atomnyi vastagságú, „kétdimenziós” kristályok azonban sikeresebb megoldásokat ígérnek. E téren érte el a bécsi egyetemi kutatócsoport most bejelentett eredményét, ami teljesen új irányt szabhat az optoelektronikai fejlesztéseknek.
Elektronfizikai alapok
A Thomas Müller professzor vezette kutatócsoport a WSe2-t válaszotta kiindulási anyagként. Müller szerint ennek különleges előnye a ma legismertebb kétdimenziós nanostruktúrákkal, a grafénekkel szemben energiaspektrumának tiltott sávja, azaz az elektronoknak egy bizonyos minimális energiával kell rendelkezniük ahhoz, hogy a vegyértéksávból a vezetési sávba ugorhassanak. Ez a tulajdonság nem könnyen érhető el a graféneknél [1]”. Ahhoz, hogy a WSe2 is a grafénhez hasonló 2D-szerkezet formájában álljon rendelkezésre, a kutatócsoport mechanikai módszerrel „hámozott le” [2] a háromdimenziós kristályokból kétdimenziósnak tekinthető, 0,7 nm körüli vastagságú rétegeket. Müller professzor elmondta: „Bonyolult eljárásokat kellett ismételgetnünk annak ellenőrzésére, hogy már valóban kétdimenziósnak tekinthető-e az a szerkezet, amit előállítottunk, mivel csak az ilyen extrém vékony rétegek mutatják a kívánt tulajdonságokat.” Sztereoszkopikus vizsgálatok, optikai kontrasztmérések és atomi térerő-mikroszkópia segítségével igazolták, hogy végül is elérték a kívánt eredményt. Az egyrétegű WSe2-szerkezet villamos paramétereit ezután két elektróda közé helyezve vizsgálták. Ezek a mérések kétséget kizáróan bizonyították, hogy a réteg az ismert p-n dióda tulajdonságaival rendelkezik. Sikerült ugyanis pozitív és negatív töltéshordozókat (lyukakat és elektronokat) injektálni a rétegbe, amelyben ezek – a rétegdiódáknál megszokott módon – kizárólag az egyik irányban folyó áramot engedték át.
„Vékony” siker?
„Eddig is ismert volt, hogy „a WSe2-anyagú, monoréteges kristály p-n diódák és optoelektronikai eszközök ideális kiindulóanyaga. Ám ezt eddig senki sem bizonyította. Nekünk most ezt sikerült elérnünk. A fényenergiát is sikerült 0,5%-os hatásfokkal elektromos energiává átalakítani ” – mondta Müller arról, hogy ez volt az első fizikai demonstrációja annak, hogy 2D-kristályos anyagok fényelektromos hatást mutathatnak. Tegyük hozzá: az elnéző mosolyra ösztönző, alacsony hatásfoknak nem a „kezdetlegesség” a magyarázata, hanem az a tény, hogy a kutatócsoport által előállított monoréteges anyag fényáteresztő képessége 95%, tehát a fény nagy része elektromos szempontból hasznosítatlanul halad át rajta. Ez azonban lehetőséget kínálhat olyan megoldásokra, hogy az ablakfelületet egyben napelemként is hasznosíthassuk. Ugyanakkor több ilyen ultravékony kristály egymásra rétegezésével akár 10% körüli hatásfok is elérhető – amiért természetesen az átlátszóság előnyének elvesztésével kell fizetnünk.
Sikerült az új nanoszerkezetet fotodiódaként is alkalmazni: ezen a módon nagyjából egy nagyságrenddel érzékenyebb szenzorokat lehet előállítani, mint grafénekkel. Sikerült azt is bizonyítani, hogy a most fizikailag is megvizsgált, WSe2 2D-kristályszerkezet az elektromos energia fénnyé átalakítására (ledműködésre) is használható.
[1]Graféneknek nevezzük a szénatomok hatszöges elrendezésű, kristályos hálózatából álló, egyetlen szénatomnyi vastagságú, kétdimenziós sík nanoszerkezeteket (ezek önmagába záródó változatát nevezik nanocsöveknek), amelyek számos különleges tulajdonságuk (például rendkívüli szilárdságuk és elektromos vezetőképességük) miatt a szilárdtestfizika és az anyagtechnológia érdeklődésének homlokterében állnak. – A szerk. megj.
[2]Talán viccesnek tűnhet, de a grafének első fizikai realizációit nem valamiféle furfangos „hi-tech”-eljárással, hanem szinte primitíven egyszerű módszerekkel (grafitkristály felületére ragasztott öntapadós szalag – „cellux” – lehúzásával) állították elő. Sokszori próbálkozás után sikerült végre egyetlen atomnyi vastagságú réteget „letépni” a kristály felületéről. A sajtóközleményben használt kifejezések: a „mechanikai módszer” és a „lehámozás” valamilyen hasonló, „egyszerűen nagyszerű” eljárásra enged következtetni. Ez alkalmas ugyan a nanostruktúrák fizikai mintájának előállítására és tulajdonságainak laboratóriumi vizsgálatára, de nyilvánvaló, hogy a közleményben „széles ecsetvonásokkal” felvázolt, széles körű ipari alkalmazáshoz más, kevésbé „próba-szerencse alapú” technológiák után kell nézni. Mondjuk így: az első lépést megtették, de a java még hátravan. – A szerk. megj.
Referencia
A. Pospischil, M. M. Furchi, T. Mueller: Solar-energy conversion and light emission in an atomic monolayer p-n diode, Nature Nanotechnology (2014), (http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2014.14)
(forrás: a Vienna University of Technology Photonics Institute sajtóközleménye, 2014. március 10.)
Címkék: monolayer kristály | wolfram-diszelenid
