Forscher haben 2D-Materialien mithilfe eines molekularen „Klettverschlusses“ chemisch verbunden, was zu einem Gerät mit verbesserten optoelektronischen Eigenschaften führte. Das Gerät besteht aus Palladium-Nanoblättern, die kovalent mit MoS2 verbunden sind, und zeigt dank der chemisch gebundenen Grenzfläche zwischen den beiden Materialien im Vergleich zu seinem Van-der-Waals-Gegenstück eine verbesserte optoelektronische Reaktion im Infrarotbereich. Diese nächste Generation von 2D-2D-Heterostrukturen geht dank der starken kovalenten Bindungen zwischen ihren 2D-Materialien über Van-der-Waals hinaus.
Das Beste aus verschiedenen Kristallen zu kombinieren, um das ultimative Material zu erhalten, ist das Motto, das die zweidimensionale (2D) Materialforschung vorantreibt. 2D-Strukturen werden typischerweise durch Atomabscheidung aufgebaut und sind durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen schwach miteinander verbunden. In den letzten Jahren wurde ein alternativer Ansatz zur Schaffung robuster 2D-Strukturen eingeführt, der die chemische Verknüpfung von Nanoblättern aus unterschiedlichen Materialien beinhaltet. Jetzt nutzen Forscher diese Technik, um verbesserte Geräte mit einer umfassenderen optoelektronischen Reaktion zu entwickeln.
In einer aktuellen Zusammenarbeit zwischen IMDEA Nanociencia, ICMM (Madrid), INMA und der ARAID Foundation (Zaragoza) haben Forscher eine 2D-Struktur bestehend aus Palladium-Nanoblättern und Molybdändisulfid (MoS2) synthetisiert und charakterisiert. Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Klein.
MoS2 ist aufgrund seiner einfachen Ablösung und hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften eines der beliebtesten 2D-Materialien. Es zeichnet sich durch eine gut definierte Bandlücke im 2H-Typ und eine gute Absorption im sichtbaren Bereich des Spektrums aus. Eine bemerkenswerte Einschränkung von MoS2 ist jedoch seine schlechte Absorption im Infrarotbereich. Die breitbandige optische Erkennungsfähigkeit, insbesondere vom ultravioletten bis zum nahen Infrarotbereich, ist für Anwendungen wie medizinische Überwachung, Videobildgebung oder optische Kommunikation von entscheidender Bedeutung.
Forscher haben MoS2 mit Palladium-Nanoblättern kombiniert, um 2D-Strukturen mit Breitbanderkennung zu schaffen, die eine Absorption im Infrarotbereich ermöglichen. Das Prototypgerät, bestehend aus einer einzelnen MoS2-Schicht, die kovalent mit Palladium-Nanoblättern funktionalisiert ist, zeigte im Vergleich zu einer Van-der-Walls-Struktur mit denselben Komponenten eine verbesserte optoelektronische Reaktion, sowohl hinsichtlich der Breite als auch der Intensität.
Die Forscher wiesen nach, dass die Verbesserung auf die chemisch gebundene Grenzfläche zwischen den beiden Materialien zurückzuführen ist. Die spektroskopische Analyse des Palladium-MoS2-Geräts ergab eine elektronische Wechselwirkung zwischen den beiden Materialien, die die Wirksamkeit der chemischen Verbindung belegte.
Das hier beschriebene Gerät weist drei Hauptmerkmale auf. Erstens eine große laterale Größe von MoS2 im Mikrometerbereich, kombiniert mit einer ultradünnen Dicke von weniger als 5 Nanometern. Zweitens die 2D-Morphologie der Palladium-Nanoblätter, die eine starke Absorption im Infrarotbereich ermöglicht. Schließlich wird die chemische Verbindung zwischen den beiden Nanomaterialien über ein bifunktionelles Molekül ermöglicht.
Die Arbeit beleuchtet die Vorteile der kovalenten Verbindung. Erstens ist das Gerät robust gegenüber Lösungsmitteln oder thermischen Prozessen. Darüber hinaus verbessert die kovalente Verbindung zwischen seinen 2D-Komponenten die optoelektronische Reaktion des Geräts im Vergleich zu seinem Van-der-Waals-Gegenstück. Diese Ergebnisse zeigen, dass kovalent verknüpfte 2D-Materialien vielversprechend für ihre Anwendung in der Breitband-Photodetektion sind.
Weitere Informationen:
Ramiro Quirós-Ovies et al, Chemisch verknüpfte Heterostrukturen von Palladium-Nanoblättern und 2H-MoS2, Klein (2024). DOI: 10.1002/small.202406030