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美國科學家最近發現，某些二維半導體如MoS2及MoSe2一旦曝露在氧氣或水蒸氣中，發光效率竟能提高達100倍！此效應可透過控制氣體壓力達到完全可逆，這項研究成果對於提升2D層狀材料製成的光電元件可能相當重要。
由加州大學伯克萊分校的Junqiao Wu領導的團隊研究了化學式為MX2的層狀過渡金屬硫屬化合物(transition metal dichalcogenides, TMDC)，其中M代表鉬(Mo)，X則為硫(S)或硒(Se)。這類半導體材料原本具有間接能隙，製成單分子層(monolayer)後卻變成直接能隙，因此在光電元件例如發光二極體及太陽電池上的應用倍受看好。此外，TMDC中的電子與光的作用特別強，因此僅管只有幾個原子厚，吸收的光子依然足以形成電流。
層狀TMDC也有弱點──不太能有效地發光，亦即其光激發光量子產率(photoluminescence quantum yield)較低，不過這個問題最近有了轉機。Wu等人發現，只需將真空退火(vacuum annealing)後的這類2D材料曝露在氧氣或H2O氣體中，其發光效率便能提高100倍，而藉由控制氣體壓力可使此效應在室溫下完全可逆。
該團隊表示，氧及水分子與TMDC單分子層會產生微弱的交互作用，足以克服70-140 meV的束縛能，由材料中帶走為數不少的電子。此電荷轉移導致n型TMDC的載子流失，原本不穩定的激子(即電子-電洞對)得以延長壽命，因而能復合並產生更多光子。研究人員指出，單分子層半導體就像石墨烯一樣對環境十分敏感，其與週遭氣體分子作用造成的電荷轉移，會改變材料內的電子濃度，類似傳統電晶體的閘極功能，因此他們稱之為「分子閘」(molecular gate)。
該團隊認為此研究能幫助科學家更了解單分子層半導體如何與環境作用，以及對不同氣體的反應，而對大多數光電元件而言，發光效率是最重要的參數，因此提高100倍是令人振奮的技術突破。他們目前正忙於探討缺陷會如何影響2D半導體的發光行為，同時試著製作出具有特殊物理特性的新TMDC材料。詳見近期的Nano Letters | DOI: 10.1021/nl4011172。 |