Fysikere binder enkeltatomark med den samme kraft, som gekkoer bruger til at klatre på vægge

Fysikere ved University of Kansas har fremstillet et innovativt stof ud fra to forskellige atomplader, der hænger sammen på samme måde som legoklodser. Forskerne sagde, at det nye materiale - lavet af et lag af grafen og et lag af wolframdisulfid - kunne bruges i solceller og fleksibel elektronik. Deres resultater er offentliggjort i dag af Naturkommunikation .

Hsin-Ying Chiu, assisterende professor i fysik og astronomi, og kandidatstuderende Matt Bellus fremstillede det nye materiale ved hjælp af "lag-for-lag samling" som en alsidig bottom-up nanofabrikationsteknik. Derefter, Jiaqi He, en besøgende studerende fra Kina, og Nardeep Kumar, en kandidatstuderende, der nu er flyttet til Intel Corp., undersøgt hvordan elektroner bevæger sig mellem de to lag gennem ultrahurtig laserspektroskopi i KU's Ultrafast Laser Lab, overvåget af Hui Zhao, lektor i fysik og astronomi.

"At bygge kunstige materialer med synergistisk funktionalitet har været en lang opdagelsesrejse, " sagde Chiu. "En ny klasse af materialer, lavet af lagdelte materialer, har tiltrukket sig stor opmærksomhed lige siden den hurtige udvikling af grafenteknologien. Et af de mest lovende aspekter af denne forskning er potentialet til at udtænke næste generations materialer via atomlag-niveau kontrol over dets elektroniske struktur."

Ifølge forskerne, tilgangen er at designe synergistiske materialer ved at kombinere to enkelt-atom tykke plader, for eksempel, fungerer som en fotovoltaisk celle såvel som en lysemitterende diode, omdannelse af energi mellem elektricitet og stråling. Imidlertid, at kombinere lag af atomisk tyndt materiale er en vanskelig opgave, som har forvirret forskere i årevis.

"En stor udfordring ved denne tilgang er, at de fleste materialer hænger ikke sammen på grund af deres forskellige atomarrangementer ved grænsefladen – arrangementet af atomerne kan ikke følge de to forskellige sæt regler på samme tid, " sagde Chiu. "Dette er som at lege med lego i forskellige størrelser lavet af forskellige producenter. Som en konsekvens, nye materialer kan kun fremstilles af materialer med meget lignende atomarrangementer, som ofte har lignende egenskaber, også. Selv da, arrangementet af atomer ved grænsefladen er uregelmæssigt, hvilket ofte resulterer i dårlige kvaliteter."

Lagdelte materialer som dem, der er udviklet af KU-forskerne, giver en løsning på dette problem. I modsætning til konventionelle materialer dannet af atomer, der er stærkt bundet i alle retninger, det nye materiale har to lag, hvor hvert atomark er sammensat af atomer, der er stærkt bundet til deres naboer - men de to atomark er i sig selv kun svagt forbundet med hinanden af ​​den såkaldte van der Waals-kraft, det samme attraktive fænomen mellem molekyler, der gør det muligt for gekkoer at klæbe til vægge og lofter.

"Der findes omkring 100 forskellige typer lagdelte krystaller - grafit er et velkendt eksempel, " sagde Bellus. "På grund af den svage mellemlagsforbindelse, man kan vælge hvilke som helst to typer atomark og lægge den ene oven på den anden uden problemer. Det er som at spille lego med en flad bund. Der er ingen begrænsning. Denne tilgang kan potentielt producere et stort antal nye materialer med kombinerede nye egenskaber og transformere materialevidenskaben."

Chiu og Bellus skabte det nye kulstof- og wolframdisulfidmateriale med det formål at udvikle nye materialer til effektive solceller. Det enkelte ark af carbonatomer, kendt som grafen, udmærker sig ved at flytte elektroner rundt, mens et enkelt lag af wolframdisulfidatomer er gode til at absorbere sollys og omdanne det til elektricitet. Ved at kombinere de to, dette innovative materiale kan potentielt udføre begge opgaver godt.

Holdet brugte tape til at løfte et enkelt lag wolframdisulfidatomer fra en krystal og påføre det på et siliciumsubstrat. Næste, de brugte den samme procedure til at fjerne et enkelt lag carbonatomer fra en grafitkrystal. Med et mikroskop, de lagde præcist grafenen oven på wolframdisulfidlaget. For at fjerne enhver lim mellem de to atomlag, der utilsigtet indføres under processen, materialet blev opvarmet til omkring 500 grader Fahrenheit i en halv time. Dette gjorde det muligt for kraften mellem de to lag at presse limen ud, resulterer i en prøve af to atomisk tynde lag med en ren grænseflade.

Ph.d.-studerende Han og Kumar testede det nye materiale i KU's Ultrafast Laser Lab. Forskerne brugte en laserpuls til at excitere wolframdisulfidlaget.

"Vi fandt ud af, at næsten 100 procent af de elektroner, der absorberede energien fra laserimpulsen, bevæger sig fra wolframdisulfid til grafen inden for et picosekund, eller en milliontedel af en milliontedel sekund, " sagde Zhao. "Dette beviser, at det nye materiale faktisk kombinerer de gode egenskaber ved hvert komponentlag."

Forskergrupperne ledet af Chiu og Zhao forsøger at anvende denne Lego-tilgang til andre materialer. For eksempel, ved at kombinere to materialer, der absorberer lys af forskellige farver, de kan lave materialer, der reagerer på forskellige dele af solspektret.