Zespół naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego uczestniczył w badaniach, dzięki którym po raz pierwszy wyhodowano dichalkogenki metali przejściowych wykazujące znakomite właściwości optyczne bez procesu eksfoliacji. Do tej pory największymi przeszkodami były bardzo ograniczone rozmiary, niejednorodność i poszerzenie linii widmowych wytwarzanych materiałów. Monowarstwy o wielkości zastosowanego podłoża, pozbawione powyższych wad, zostały wyhodowane przy pomocy epitaksji z wiązek molekularnych. Kluczowym elementem okazało się użycie atomowogładkich podłoży z azotku boru.

Obecnie jedną z najbardziej zaawansowanych technologii wytwarzania warstw kryształów półprzewodnikowych jest epitaksja z wiązek molekularnych (MBE), polegająca na formowaniu w próżni strumieni atomów i kierowaniu ich z różnych stron, z odległości kilkudziesięciu centymetrów, w stronę monokrystalicznego podłoża, na którym dopiero atomy łączą się i wbudowują w sieć krystaliczną. Technologia ta dostarcza struktur dwuwymiarowych o dużych rozmiarach i wysokiej jednorodności, ale jak dotąd jej możliwości w zakresie wytwarzania struktur monoatomowych były bardzo ograniczone. W szczególności właściwości optyczne tak wytworzonych materiałów były do tej pory znacznie poniżej oczekiwań. Na przykład, światło emitowane z tego typu próbek miało niekorzystne widmo optyczne – linie emisyjne związane z ekscytonem były szerokie – co nie dawało nadziei na wykorzystanie na większą skalę spektakularnych właściwości optycznych dichalkogenków metali przejściowych.

Naukowcy z Wydziału Fizyki UW, we współpracy z laboratoriami z Europy i Japonii, dokonali w tym zakresie przełomowego odkrycia. Przeprowadzili szereg badań nad wzrostem monowarstw dichalkogenków metali przejściowych na różnych podłożach i w różnych warunkach. Okazało się, że jeden rodzaj podłoża daje nieporównywalnie lepsze możliwości wzrostu niż pozostałe. Tym najlepszym podłożem jest atomowogładki azotek boru, taki jak np. wytwarzany w National Institute for Materials Science w Tsukubie (Japonia). 

Używając tego podłoża, w laboratorium MBE na Uniwersytecie Warszawskim wyhodowano gładkie kryształy o grubości monowarstwy i o rozmiarach równych rozmiarowi podłoża, wykazujące jednorodne parametry na całej powierzchni, w tym – co najcenniejsze – znakomite właściwości optyczne, uzyskane po raz pierwszy dla wyhodowanych monowarstw dichalkogenków metali przejściowych.

Badania wytworzonych warstw o rekordowych parametrach optycznych były prowadzone w Laboratorium Ultraszybkiej Magnetospektroskopii na Uniwersytecie Warszawskim. Obejmują one spektroskopowe pomiary fotoluminescencji, odbicia światła i generacji drugiej harmonicznej, a także badania powierzchni przy pomocy dyfrakcji elektronów i mikroskopu sił atomowych (AFM). Natomiast w Instytucie Fizyki PAN, przy pomocy mikroskopu elektronowego, wykonano zdjęcia przekrojowe, na których widać atomową cienkość i gładkość wytworzonych warstw.

Wyniki prac zostały opublikowane w najnowszym tomie pisma „Nano Letters”. Odkrycie ukierunkowuje przyszłe badania nad przemysłowym wytwarzaniem atomowocienkich materiałów – w szczególności wskazuje na potrzebę opracowania jeszcze większych i jeszcze gładszych podłoży z azotku boru. Na takich podłożach będzie można hodować monowarstwy, których właściwości elektronowe i optyczne dorównują parametrom płatków uzyskiwanych z eksfoliacji, a których rozmiary i jednorodność pozawalają na zastosowanie w przemyśle optoelektronicznym.

Więcej informacji >>