Forskere udvikler et halvleder -nanokompositmateriale, der bevæger sig som reaktion på lys

Et forskerhold ved Worcester Polytechnic Institute (WPI) har udviklet en revolutionerende, lysaktiveret halvleder-nanokompositmateriale, der kan bruges i en række forskellige applikationer, herunder mikroskopiske aktuatorer og gribere til kirurgiske robotter, lysdrevne mikrospejle til optiske telekommunikationssystemer, og mere effektive solceller og fotodetektorer.

"Dette er et nyt videnskabeligt område, "sagde Balaji Panchapakesan, lektor i maskinteknik ved WPI og hovedforfatter af et papir om det nye materiale, der blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter , en open access journal fra forlagene af Natur . "Meget få materialer er i stand til at konvertere fotoner direkte til mekanisk bevægelse. I dette papir, vi præsenterer det første halvleder -nanokompositmateriale, der vides at gøre det. Det er et fascinerende materiale, der også kendetegnes ved sin høje styrke og sin forbedrede optiske absorption, når den udsættes for mekanisk belastning.

"Små gribere og aktuatorer fremstillet med dette materiale kunne bruges på Mars -rovere til at fange fine støvpartikler." Panchapakesan noteret. "De kunne rejse gennem blodbanen på små robotter for at fange kræftceller eller tage små vævsprøver. Materialet kunne bruges til at lave mikroaktuatorer til roterende spejle i optiske telekommunikationssystemer; de ville fungere strengt med lys, og ville ikke kræve nogen anden strømkilde. "

Ligesom andre halvledermaterialer, molybdendisulfid, materialet beskrevet i Videnskabelige rapporter papir ("Kromatisk mekanisk reaktion i 2-D-lagdelt overgangsmetalldichalcogenid (TMD'er) -baserede nanokompositter"), er kendetegnet ved den måde, hvorpå elektroner er arrangeret og bevæger sig inden i dets atomer. I særdeleshed, elektroner i halvledere er i stand til kun at bevæge sig fra en gruppe ydre orbitaler kaldet valensbåndet til en anden gruppe orbitaler kendt som ledningsbåndet, når de er tilstrækkeligt spændt af en energikilde, som et elektromagnetisk felt eller fotoner i en lysstråle. Kryds "båndgabet, "Elektronerne skaber en strøm af elektricitet, som er hovedmanden der muliggør computerchips og solceller.

Når de negativt ladede elektroner bevæger sig mellem orbitaler, de efterlader positivt ladede hulrum kendt som huller. Et par af en bundet elektron og et elektronhul kaldes en exciton.

I deres eksperimenter, Panchapakesan og hans team, som omfattede kandidatstuderende Vahid Rahneshin og Farhad Khosravi, samt kolleger ved University of Louisville og University of Warsaw Pasteura, observeret, at atomorbitalerne i molybdæn og svovlatomerne i molybdendisulfid er arrangeret på en unik måde, der gør det muligt for excitoner i ledningsbåndet at interagere med det, der er kendt som svovlatomernes p-orbitaler. Denne "excitonresonans" bidrager til de stærke sigma -bindinger, der giver det todimensionale array af atomer i molybdensulfid dets ekstraordinære styrke. Styrken af ​​denne resonans er også ansvarlig for en unik effekt, der kan generere varme i materialet. Det er varmen, der giver anledning til materialets kromatiske (lysinducerede) mekaniske reaktion.

For at udnytte det senere fænomen, Panchapakesans team skabte tynde film bestående af kun et til tre lag molybdendisulfid indkapslet i lag af en gummilignende polymer. De udsatte disse nanokompositter for forskellige bølgelængder af lys og fandt ud af, at varmen, der genereres som følge af excitonresonansen, fik polymeren til at ekspandere og trække sig sammen, afhængigt af bølgelængden af ​​det anvendte lys. I tidligere arbejde, Panchapakesans team udnyttede denne fotomekaniske reaktion ved at fremstille små gribere, der åbner og lukker som reaktion på lysimpulser. Griberne kan fange plastperler på størrelse med en enkelt menneskelig celle.

Ved yderligere test, Panchapakesan og hans team opdagede en anden unik opførsel af molybdæn -disulfid -kompositten, der åbner døren til et andet sæt applikationer. Anvender det, der er kendt som belastningsteknik, de strakte materialet og opdagede, at mekaniske belastninger øgede dets evne til at absorbere lys.

"Dette er noget, der ikke kan gøres med konventionelle tyndfilm halvledere, "Sagde Panchapakesan, "fordi når du strækker dem, de vil for tidligt gå i stykker. Men med sin unikke materialestyrke, molybdendisulfid kan strækkes. Og dens øgede optiske absorption under belastning gør den til en god kandidat til mere effektive solceller, fotodetektorer, og detektorer til termiske og infrarøde kameraer.

"Exciton -resonansen, fotomekanisk reaktion, og øget optisk absorption under belastning gør dette til et ekstraordinært materiale og et spændende emne til yderligere undersøgelse, " han tilføjede.