Todimensionelt materiale viser løfte for optoelektronik

Et hold af MIT-forskere har brugt et nyt materiale, der kun er et par atomer tykt, til at skabe enheder, der kan udnytte eller udsende lys. Dette proof-of-concept kan føre til ultratynd, letvægts, og fleksible fotovoltaiske celler, lysemitterende dioder (LED'er), og andre optoelektroniske enheder, de siger.

Deres rapport er en af ​​tre artikler fra forskellige grupper, der beskriver lignende resultater med dette materiale, offentliggjort i 9. marts-udgaven af Natur nanoteknologi . MIT-forskningen blev udført af Pablo Jarillo-Herrero, Mitsui karriereudviklingslektor i fysik, kandidatstuderende Britton Baugher og Yafang Yang, og postdoc Hugh Churchill.

Materialet de brugte, kaldet wolframdiselenid (WSe2), er en del af en klasse af enkeltmolekyle-tykke materialer, der undersøges til mulig brug i nye optoelektroniske enheder - dem, der kan manipulere vekselvirkningerne mellem lys og elektricitet. I disse forsøg, MIT-forskerne var i stand til at bruge materialet til at producere dioder, den grundlæggende byggesten i moderne elektronik.

Typisk, dioder (som tillader elektroner at strømme i kun én retning) er lavet ved "doping, " som er en proces med at injicere andre atomer i krystalstrukturen af ​​et værtsmateriale. Ved at bruge forskellige materialer til denne irreversible proces, det er muligt at lave en af ​​de to grundlæggende typer af halvledende materialer, p-type eller n-type.

Men med det nye materiale, enten p-type eller n-type funktioner kan opnås blot ved at bringe den forsvindende tynde film i meget tæt nærhed af en tilstødende metalelektrode, og tuning af spændingen i denne elektrode fra positiv til negativ. Det betyder, at materialet nemt og øjeblikkeligt kan skiftes fra den ene type til den anden, hvilket sjældent er tilfældet med konventionelle halvledere.

I deres eksperimenter, MIT-teamet producerede en enhed med et ark WSe2-materiale, der var elektrisk doteret halvt n-type og halvt p-type, skabe en arbejdsdiode, der har egenskaber "meget tæt på det ideelle, " siger Jarillo-Herrero.

Ved at lave dioder, det er muligt at producere alle tre grundlæggende optoelektroniske enheder - fotodetektorer, fotovoltaiske celler, og lysdioder; MIT-holdet har demonstreret alle tre, Jarillo-Herrero siger. Selvom disse er proof-of-concept-enheder, og ikke designet til opskalering, den vellykkede demonstration kunne vise vejen mod en bred vifte af potentielle anvendelser, han siger.

"Det er kendt, hvordan man laver materialer med meget stort areal" af denne type, siger Churchill. Mens der vil være behov for yderligere arbejde, han siger, "der er ingen grund til, at du ikke ville være i stand til at gøre det i industriel skala."

I princippet, Jarillo-Herrero siger, fordi dette materiale kan konstrueres til at producere forskellige værdier af en nøgleegenskab kaldet bandgap, det burde være muligt at lave lysdioder, der producerer en hvilken som helst farve - noget, der er svært at gøre med konventionelle materialer. Og fordi materialet er så tyndt, gennemsigtig, og letvægts, enheder såsom solceller eller skærme kan potentielt være indbygget i bygnings- eller køretøjsvinduer, eller endda indarbejdet i tøj, han siger.

Selvom selen ikke er så rigeligt som silicium eller andre lovende materialer til elektronik, tyndheden af ​​disse plader er en stor fordel, Churchill påpeger:"Det er tusinder eller titusindvis af gange tyndere" end konventionelle diodematerialer, "så du ville bruge tusindvis af gange mindre materiale" til at lave enheder af en given størrelse.

Ud over de dioder, holdet har produceret, holdet har også brugt de samme metoder til at fremstille p-type og n-type transistorer og andre elektroniske komponenter, Jarillo-Herrero siger. Sådanne transistorer kan have en betydelig fordel med hensyn til hastighed og strømforbrug, fordi de er så tynde, han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.