无缺陷原子厚度薄膜

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通过用有机酸修复缺陷的方法，研究人员成功获得了无缺陷的原子厚度薄膜。这种单分子膜在透明发光二极管（LED）显示器、高转换率太阳能电池、光传感器和[color=rgb(68, 68, 68) !important]纳米晶体管等领域具有广泛的应用前景。

无缺陷原子厚度薄膜

最近，单层半导体在材料科学界引起巨大反响，这是一种只有几层原子厚的新型薄膜材料。这种单分子膜在透明发光二极管（LED）显示器、高转化率太阳能电池、光传感器以及纳米晶体管等领域具有广泛的应用前景。然而，这种薄膜材料自身容易产生缺陷，很大程度上影响了它的性能。


目前，由California大学、Berkeley分校和Lawrence Berkeley国家实验室的工程师们共同领导的研究团队发现了一种利用有机超强酸修复缺陷的简单方法，这种化学处理能够使材料的光致发光率提高100倍。光致发光率是材料所产生的光能与所吸收的能量之比，它是衡量材料发光性能的主要指标之一。发光率越高，量子产率越大，材料的性能越好。


通过将材料浸入名为bistriflimide或TFSI的超强酸中，研究人员将二硫化钼（MoS2）的光致发光率从低于1%提升到了100%。


他们的发现使单层材料，例如MoS2，在光电子器件和高效晶体管中的实际应用成为可能。MoS2的厚度只有0.7纳米，作为对比，人体DNA直径为2.5纳米。相关研究成果已于11月27日发表在Science上。


“通常来说，材料越薄对缺陷越敏感，”首席研究员Ali Javey（Berkeley分校电气工程与计算机学院教授）这样说道：“这项研究首次完美展示了一种光电单分子层薄膜，而在这之前我们还从未听说过这么薄的光电材料。”


研究人员之所以用超强酸处理单分子膜，是因为从理论上讲，当超强酸作为溶剂时，它倾向于以氢原子的形式将质子转移给溶质，这种化学反应被称为质子化，能够有效填充缺陷处缺失的原子并消除表面粘附的污染物。


这项工作的合作者的还有Berkeley分校的博士生MatinAmani和Der-Hsien Lien以及博士后Daisuke Kiriya。他们说道，单层半导体薄膜对光具有很低的吸收率，并能承受扭转、弯曲和其它极端形式的机械形变，因此，它一直以来都是科学家眼中的理想材料。


MoS2的分子层间由范德华力（一种层间原子间作用力）连接，同时，原子级厚度赋予其高的电荷可调性。当被用作LED显示屏时，这一特点使得该设备在一个像素上可以发出不同的颜色，而不需要通过施加不同电压来显出单一色调。


[color=rgb(68, 68, 68) !important]论文的第一作者补充道，LED的效率与光致发光量子产率直接相关。因此，通过灵活运用这种“完美的”光电单层薄膜，理论上可以生产出断电时透明的高性能LED显示屏。


这项实验对晶体管研究领域也是革命性的，因为随着电脑芯片小型化和薄片化，缺陷对性能有着很大的限制。


“这项工作中发现的无缺陷单分子层解决了这一难题，使得新型低能耗开关的开发成为可能。”Javey说道。