Transition metal dichalcogenide monolayers (original) (raw)
Двовимірні дихалькогеніди перехідних металів, двовимірні ДПМ (англ. 2D transition metal dichalcogenides, 2D TMDs) — , що описуються хімічною формулою MX2, де M позначає атом перехідного металу (Ti, V, Mo, W тощо), а X позначає атом халькогену (S, Se або Te). Двовимірні ДПМ відрізняться від своїх тривимірних аналогів дуже малою товщиною: товщина двовимірного ДПМ може складати від однієї до десятка елементарних комірок. Через таку малу товщину фізичні властивості двовимірних ДПМ якісно відрізняються від властивостей тривимірних аналогів. Наразі ведуться інтенсивні фундаментальні дослідження у галузі двовимірних ДПМ, і ці матеріали вважаються перспективними для застосування у спінтроніці, велітроніці та оптоелектроніці.
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| dbo:abstract | Las monocapas de dicalcogenuros de metales de transición (TMD) son un tipo de nanomateriales de un grosor de tan solo 3 átomos, es decir, unos pocos Ángstroms, mientras que las otras dos dimensiones varían desde unos pocos cientos de nanómetros hasta superar las micras. Se está estudiando incrementar el tamaño hasta el nivel macroscópico. Los TMDs se representan mediante la fórmula genérica MX2, donde M y X son átomos. M es un metal de transición (Mo, W, etc.) y X un calcogenuro (S, Se, o Te). Los átomos M se disponen en un plano. Este plano está rodeado por otros dos planos de X unidos a través de un enlace covalente a M. Es decir, Los TMDs son materiales que se presentan en dos dimensiones, en 2D, tal y como se representan en la figura Estructura hexagonal de monocapas de TMDs. La distribución de estos 3 planos (X-M-X) puede variar, obteniendo en muchos casos, estructuras con celdas unidades tetragonales (T), hexagonales (H) u octaédricas, siendo la primera metálica y las otras dos semiconductoras en la mayoría de los TMDs. De entre todos los TMDs, el MoS2 es el más abundante e investigado, sólo tiene un espesor de 6.5 Å y suele usarse cómo TMDs representativo. Estos materiales poseen características muy particulares de interés en nanotecnología y conversión de energía. Por ejemplo, el WTe2 posee magnetoresistencias gigantes y superconductividad. Suelen ser muy resistentes, estables, poseen una gran movilidad de carga y pueden absorber y emitir (fluorescencia ) y grandes cantidades de luz. Además, en los últimos años se ha estado estudiado el carácter electrón donor-aceptor que estos materiales tienen tras combinarlos con diferentes compuestos orgánicos, provocando una variación controlada de las propiedades intrínsecas de los TMDs En el mundo real, las monocapas son muy difíciles de obtener y se suele trabajar con oligocapas (1-10 capas). La cantidad media de oligocapas es fácilmente distinguible por varias técnicas. (Espectroscopia de UV-vis, Raman o TEM) Suelen ser materiales insolubles en cualquier disolvente, sobre todo, la fase semiconductora. Para solucionar este problema, se suele añadir agentes tensoactivos en agua o dispersar tras un proceso de sonicación intenso los TMDs en disolventes apropiados, tales como N,N-dimetilformamida (DMF) o N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP). En los últimos años, la solubilidad de estos materiales se ha incrementado mucho tras someterlos a un proceso de funcionalización. Algunos compuestos voluminosos como el terc-Butilo o etilenglicol han demostrado ser tremendamente efectivos, superando concentraciones de 1 mg/ml. Hace unos años, el grafeno demostró que los materiales 2D tienen diferentes propiedades en comparación con sus homólogos en 3D. Esto propició el estudio del resto de materiales 2D. Al igual que el grafito, los TMDs están formados por monocapas unidas entre sí por las fuerzas de Van der Waals, formando multicapas, de igual modo que un libro está formado por una gran cantidad de hojas. Las monocapas de TMDs tienen propiedades que son claramente diferentes de las del grafeno semimetal, obteniendo propiedades que van desde cráter metálico a semiconductor: * Las monocapas H de MoS2, , , , tienen una band gap directa, mientras que las multicapas sólo poseen una band gap indirecta. Las monocapas poseen un alto rendimiento cuántico, emitiendo gran cantidad de luz. Se está investigando su uso en nanotecnología como transistores, LEDs y en detectores. * Las monocapas (o un número impar de oligocapas) de los TMDs, no tienen eje de inversión, generando un nuevo grado de libertad, concretamente el k-índice de valle, siendo de importancia en física, en el capo nombrado cómo * El fuerte enlace espín-órbita en monocapas de TMD (por ejemplo, ) tiene la ventaja de separar espines en centenares de meV en la banda de valencia y unos cuantos meV en la banda de conducción. * El enlace espín-órbita de MoS2 promete ser un material útil para aplicaciónes espintrónicas. * Curiosamente, el band gap de los TMDs se encuentra en el espectro visible (300-600 nm) absorbiendo una gran cantidad de luz en regiones cercanas al band gap directo e indirecto. Esto permite a los TMDs absorber una gran cantidad de energía. Los TMDs aspiran a ser tan notorios como el grafeno tras el descubrimiento de su band gap directa, sus gran densidad de carga y sus propiedades valletrónicas. En ocasiones se suele combinar un tipo de TMDs (eg. MoS2) con otro (eg. WS2) u otros materiales 2D como el grafeno o nitruro de boro para hacer a través de fuerzas de van der Waals. Estas heteroestructuras necesitan ser optimizadas para el desarrollo de transistores, células solares, LEDs, fotodetectores, células de combustible de calidad. Algunos de estos dispositivos se utilizan en nuestra vida diaria y utilizar monocapas de TMDs puede dar lugar a la fabricación de dispositivos más pequeños, más baratos y más eficaces. Otras de sus propiedades todavía están siendo desarrolladas y prometen tener un impacto enorme en la tecnología. (es) Transition-metal dichalcogenide (TMD or TMDC) monolayers are atomically thin semiconductors of the type MX2, with M a transition-metal atom (Mo, W, etc.) and X a chalcogen atom (S, Se, or Te). One layer of M atoms is sandwiched between two layers of X atoms. They are part of the large family of so-called 2D materials, named so to emphasize their extraordinary thinness. For example, a MoS2 monolayer is only 6.5 Å thick. The key feature of these materials is the interaction of large atoms in the 2D structure as compared with first-row transition-metal dichalcogenides, e.g., WTe2 exhibits anomalous giant magnetoresistance and superconductivity. The discovery of graphene shows how new physical properties emerge when a bulk crystal of macroscopic dimensions is thinned down to one atomic layer. Like graphite, TMD bulk crystals are formed of monolayers bound to each other by van-der-Waals attraction. TMD monolayers have properties that are distinctly different from those of the semimetal graphene: * TMD monolayers MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2 have a direct band gap, and can be used in electronics as transistors and in optics as emitters and detectors. * The TMD monolayer crystal structure has no inversion center, which allows to access a new degree of freedom of charge carriers, namely the k-valley index, and to open up a new field of physics: valleytronics * The strong spin–orbit coupling in TMD monolayers leads to a spin–orbit splitting of hundreds meV in the valence band and a few meV in the conduction band, which allows control of the electron spin by tuning the excitation laser photon energy and handedness. * 2D nature and high spin–orbit coupling in TMD layers can be used as promising materials for spintronic applications. The work on TMD monolayers is an emerging research and development field since the discovery of the direct bandgap and the potential applications in electronics and valley physics. TMDs are often combined with other 2D materials like graphene and hexagonal boron nitride to make van der Waals heterostructures. These heterostructures need to be optimized to be possibly used as building blocks for many different devices such as transistors, solar cells, LEDs, photodetectors, fuel cells, photocatalytic and sensing devices. Some of these devices are already used in everyday life and can become smaller, cheaper and more efficient by using TMD monolayers. (en) I TMDC monolayers (dall' inglese: Transition metal dichalcogenide) sono una famiglia di materiali semiconduttori bidimensionali a gap diretta di tipo MX2, dove M rappresenta un atomo di un metallo di transizione (Mo, W, etc.) e X un calcogeno (S, Se, or Te.). Un singolo strato di atomi di tipo M è inserito tra due strati di atomi di tipo X a formare quello che viene definito un singolo monolayer. Lo spessore di un monostrato di MoS2 è di appena 6,5 Å. La scoperta del grafene ha mostrato come nuove proprietà fisiche emergono quando un cristallo di dimensioni macroscopiche viene ridotto ad un singolo strato atomico. Come la grafite, i TMDC nella loro forma macroscopica sono formati da un insieme di monostrati tenuti insieme dalla forza di Van der Waals. I TMDC monolayer presentando delle proprietà differenti rispetto al grafene: * I TMDC monolayers MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2 possiedono una band gap diretta, e possono essere usati in elettronica come transistors e in ottica come emettitori e rivelatori. * La struttura cristallina dei TMDC monolayer non ha un centro d'inversione cosa che permette di accedere ad un nuovo grado di libertà dei portatori di carica detto indice di valle K. Ciò apre di fatto le porte allo studio di un nuovo campo della fisica a cui è tato dato il nome di valletronica * Il forte accoppiamento spin-orbita nei TMDC monolayers porta ad uno splitting in energia di alcune centinaia di meV della banda di valenza e di alcuni meV della banda di conduzione, cosa che consente di controllare lo spin degli elettroni promossi per mezzo dell'energia e dell'elicità dei fotoni incidenti. Lo studio sui TMDC monolayers è diventato un promettente settore di ricerca sin da quando è stato scoperto che questi monostrati posseggono una band gap diretta fatto che li rende interessanti per applicazioni in elettronica e in fisica di valle. I TMDC sono spesso combinati con altri materiali 2D come grafene and hBN per realizzare delle eterostrutture di van der Waals. Una volta ottimizzate, queste eterostrutture potrebbero essere utilizzate per la costruzione di un gran numero di dispositivi come transistor, celle solari, LED, detector, pile a combustibile, dispositivi per la fotocatalisi e il sensing. Alcuni di questi dispositivi fanno già parte della vita di tutti i giorni e potrebbero essere resi più piccoli, efficienti ed economici tramite l'utilizzo dei TMDC. Altri, invece, sono ancora in via di sviluppo ma promettono di avere un notevole impatto sulle nostre tecnologie. (it) Двовимірні дихалькогеніди перехідних металів, двовимірні ДПМ (англ. 2D transition metal dichalcogenides, 2D TMDs) — , що описуються хімічною формулою MX2, де M позначає атом перехідного металу (Ti, V, Mo, W тощо), а X позначає атом халькогену (S, Se або Te). Двовимірні ДПМ відрізняться від своїх тривимірних аналогів дуже малою товщиною: товщина двовимірного ДПМ може складати від однієї до десятка елементарних комірок. Через таку малу товщину фізичні властивості двовимірних ДПМ якісно відрізняються від властивостей тривимірних аналогів. Наразі ведуться інтенсивні фундаментальні дослідження у галузі двовимірних ДПМ, і ці матеріали вважаються перспективними для застосування у спінтроніці, велітроніці та оптоелектроніці. (uk) |
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