Novo método de síntese melhora o desempenho optoeletrônico do MoS₂

Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo professor My Ali El Khakani do Institut national de la recherche scientifique (INRS) fez uma descoberta surpreendente sobre as propriedades do dissulfeto de molibdênio, também conhecido como MoS₂. O material é muito procurado em optoeletrônica.

Os resultados deste estudo, realizado em colaboração com a equipa do Professor Mustapha Jouiad da Universidade de Picardie Jules Verne (UPJV), acabam de ser publicados na revista Materiais Ópticos Avançadose estão na capa interna da edição de maio.

Este trabalho foi realizado dentro da estrutura da pesquisa de tese de Driss Mouloua, realizada sob a supervisão conjunta dos professores El Khakani e Jouiad no Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre do INRS e na UPJV. O Dr. Mouloua é atualmente um pesquisador de pós-doutorado no Commissariat à l’énergie atomique na França.

“Ao propor uma nova forma de crescimento do MoS₂ filmes com estrutura em camadas verticais, estamos abrindo caminho para a síntese de MoS₂ que é rotulado como ‘3D’, mas tem comportamento excepcional ‘2D’. Os resultados deste trabalho de tese podem levar a desenvolvimentos inovadores nos campos da optoeletrônica e energias renováveis”, disse Mouloua, Ph.D., ciências de energia e materiais.

Um material com propriedades únicas

Seguindo a excitação mundial gerada pelo grafeno e suas aplicações, MoS₂ está emergindo como outro material bidimensional (2D), ainda semicondutor, que está atraindo muito interesse da comunidade científica por causa de suas propriedades excepcionais. Embora tenha sido usado desde as décadas de 1970 e 1980 como um lubrificante sólido na indústria aeroespacial e para mecânica de alto desempenho, o MoS₂ está retornando como um material estratégico para optoeletrônica.

MoS₂ é um material que pode absorver fortemente a luz e transformá-la em cargas elétricas com alta mobilidade de elétrons, dando a ele a capacidade de transmissão rápida de sinais. Essa combinação de propriedades únicas o torna particularmente atraente para o desenvolvimento de aplicações optoeletrônicas, como fotodetectores, interruptores fotônicos, células solares de última geração e diodos emissores de luz (LEDs).

No entanto, todas essas propriedades dependem da maneira como as monocamadas (ou “monofolhas” atômicas) desse material 2D, que pode ser retratado como uma estrutura de “massa folhada”, são organizadas nos filmes. Ao longo do tempo, os cientistas desenvolveram estratégias de fabricação para obter de 2 a 5 monocamadas em camadas horizontais, a fim de aproveitar o MoS₂propriedades optoeletrônicas excepcionais.

Um novo paradigma

Com seu estudo mais recente, a equipe do professor El Khakani mudou o paradigma ao demonstrar que é possível sintetizar MoS relativamente espesso₂ filmes (“3D”) que são compostos por MoS alinhados verticalmente₂ camadas. Para conseguir isso, a equipe usou uma abordagem inovadora baseada na técnica de deposição de laser pulsado (PLD).

Ao controlar as condições de crescimento desses finos PLD-MoS₂ filmes e estudando suas propriedades, os pesquisadores alcançaram MoS relativamente espesso₂ filmes (cerca de 100 nanômetros de espessura, equivalente a ~200 monocamadas atômicas de MoS₂) mas seu comportamento optoeletrônico se assemelha surpreendentemente ao do MoS 2D ultrafino₂ (com apenas 3–5 MoS₂ monocamadas).

“No final, temos um material ‘3D’ que se comporta como um material 2D, o que é bastante interessante e intrigante”, disse o professor El Khakani.

Ao aprofundar suas caracterizações nanoestruturais, usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, os pesquisadores descobriram que quanto mais verticais as camadas, melhor o desempenho de fotodetecção do PLD-MoS₂ filmes.

Esta nova nanoestrutura permite o MoS vertical₂ monocamadas para interagir individualmente com a luz, aumentando sua capacidade de absorver luz e alcançar uma rápida transferência vertical (ao longo do MoS₂ camadas) das fotocargas criadas.

Isto, por sua vez, se traduz num desempenho optoeletrônico comparável ao do MoS “2D” de poucas camadas₂ filmes ultrafinos. Além disso, esses PLD-MoS “3D”₂ os filmes podem ser ampliados para o nível de wafer, contornando as dificuldades associadas à síntese desafiadora de apenas algumas monocamadas horizontais.

Com esta conquista, a equipe do Professor El Kakhani está abrindo um novo caminho para um melhor controle das propriedades optoeletrônicas do MoS₂ filmes ao ganhar controle sobre o alinhamento vertical de seus MoS constituintes₂ monocamadas.

“Não é apenas a primeira vez que o MoS₂ com camadas alinhadas verticalmente foi alcançado usando a técnica PLD, mas, ainda mais importante, conseguimos correlacionar diretamente o grau de alinhamento vertical das monocamadas com o desempenho de fotodetecção do MoS₂ filmes.

“Este é um avanço importante que contribuirá para uma melhor compreensão dos fenômenos de confinamento quântico em ‘3D’-MoS₂e para melhorar o design de novos dispositivos optoeletrônicos baseados em materiais ‘2D’, como MoS₂ou WS₂” conclui o pesquisador.