Skræddersyede materialer med ultrahurtige forbindelser

Gennem magiske drejningsvinkler og unikke energitilstande, det er muligt at designe skræddersyet, atomisk tynde materialer, der kan være uvurderlige for fremtidens elektronik. Nu, forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, og Regensburg Universitet i Tyskland har kastet lys over den ultrahurtige dynamik i disse nye materialer. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Naturmaterialer .

Forestil dig, at du bygger en energieffektiv og supertynd solcelle. Du har et materiale, der leder strøm, og et andet, der absorberer lys. Du skal derfor bruge begge materialer for at opnå de ønskede egenskaber, og resultatet bliver måske ikke så tyndt, som du håbede.

Forestil dig nu i stedet, at du har atomisk tynde lag af hvert materiale, som I placerer oven på hinanden. Du vrider det ene lag mod det andet en vis mængde, og pludselig dannes der en ny forbindelse, med specielle energitilstande - kendt som interlayer excitoner - der findes i begge lag. Du har nu dit ønskede materiale på et atomisk tyndt niveau.

Ermin Malic, forsker ved Chalmers Tekniske Universitet, i samarbejde med tyske forskerkolleger omkring Rupert Huber ved Regensburg University, er det nu lykkedes at vise, hvor hurtigt disse tilstande dannes, og hvordan de kan indstilles gennem snoede vinkler. Stabling og vridning af atomisk tynde materialer som legoklodser, til nye materialer kendt som 'heterostrukturer', er et forskningsområde, der stadig er ved sin begyndelse.

"Disse heterostrukturer har et enormt potentiale, da vi kan designe skræddersyede materialer. Teknologien kan bruges i solceller, fleksibel elektronik, og endda muligvis i kvantecomputere i fremtiden, " siger Ermin Malic, Professor ved Institut for Fysik på Chalmers.

Ermin Malic og hans ph.d.-studerende Simon Ovesen og Samuel Brem samarbejdede for nylig med forskere ved Regensburg University. Den svenske gruppe har stået for den teoretiske del af projektet, mens de tyske forskere udførte forsøgene. For første gang, ved hjælp af unikke metoder, det lykkedes dem at afsløre hemmelighederne bag den ultrahurtige dannelse og dynamikken af ​​interlayer excitoner i heterostrukturmaterialer. De brugte to forskellige lasere til at følge hændelsesforløbet. Ved at vride atomisk tynde materialer mod hinanden, de har vist, at det er muligt at kontrollere, hvor hurtigt exciton-dynamikken opstår.

"Dette nye forskningsfelt er lige så fascinerende og interessant for den akademiske verden, som det er for industrien, " siger Ermin Malic. Han leder Chalmers Graphene Centre, som samler forskning, uddannelse og innovation omkring grafen, andre atomisk tynde materialer og heterostrukturer under én fælles paraply.

Disse former for lovende materialer er kendt som todimensionelle (2-D) materialer, da de kun består af et atomisk tyndt lag. På grund af deres bemærkelsesværdige egenskaber, de anses for at have et stort potentiale inden for forskellige teknologiområder. grafen, bestående af et enkelt lag af kulstofatomer, er det mest kendte eksempel. Det begynder at blive anvendt i industrien, for eksempel i superhurtige og meget følsomme detektorer, fleksible elektroniske enheder og multifunktionelle materialer i bilindustrien, rumfarts- og emballageindustrien.

Men grafen er blot et af mange 2D-materialer, som kunne være til stor gavn for vores samfund. Der er i øjeblikket en del diskussion om heterostrukturer bestående af grafen kombineret med andre 2-D materialer. På kort tid, forskning i heterostrukturer har gjort store fremskridt, og journalen Natur har for nylig publiceret flere banebrydende artikler inden for dette forskningsfelt.

På Chalmers, flere forskergrupper arbejder på forkant med grafen. Graphene Centret investerer nu i ny infrastruktur for at kunne udvide forskningsområdet til også at omfatte andre 2-D materialer og heterostrukturer.

"Vi ønsker at etablere et stærkt og dynamisk omdrejningspunkt for 2-D materialer her på Chalmers, så vi kan bygge bro til industrien og sikre, at vores viden kommer samfundet til gode, " siger Ermin Malic.

Papiret, udgivet i Naturmaterialer , har titlen "Ultrahurtig overgang mellem excitonfaser i van der Waals heterostrukturer."