2-D materialer forbedrer en 3D-verden

I det sidste årti, todimensionel, 2-D, materialer har fanget fascinationen af ​​et støt stigende antal forskere. Disse materialer, hvis definerende træk har en tykkelse på kun et til meget få atomer, kan være fremstillet af en række forskellige elementer eller kombinationer deraf. Forskernes fortryllelse med 2-D-materialer begyndte med Andre Geim og Konstantin Novoselovs Nobelprisvindende eksperiment:at skabe et 2-D-materiale ved hjælp af en klump grafit og almindeligt tape. Dette genialt enkle eksperiment gav et utroligt materiale:grafen. Dette ultralette materiale er cirka 200 gange stærkere end stål og er en fremragende leder. Når forskere opdagede, at grafen havde mere imponerende egenskaber end dets bulkkomponent grafit, de besluttede at undersøge andre 2-D materialer for at se, om dette var en universel ejendom.

Christopher Petoukhoff, en kandidatstuderende ved Rutgers University, der arbejder i Femtosecond -spektroskopi -enheden ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), studerer et 2-D materiale, lavet af molybdendisulfid (MoS2). Hans forskning fokuserer på 2-D materialets optoelektroniske applikationer, eller hvordan materialet kan registrere og absorbere lys. Optoelektronik er allestedsnærværende i nutidens verden, fra fotodetektorer i automatiske døre og håndtørrere, til solceller, til LED -lys, men som enhver, der har stået foran en automatisk vask, desperat vinkede hænderne rundt for at få det til at fungere, vil fortælle dig, der er masser af plads til forbedringer. 2-D MoS2 er særligt interessant til brug i fotodetektorer på grund af dets evne til at absorbere den samme mængde lys som 50 nm af de aktuelt anvendte siliciumbaserede teknologier, mens den er 70 gange tyndere.

Petoukhoff, under tilsyn af professor Keshav Dani, søger at forbedre optoelektroniske enheder ved at tilføje et 2-D lag MoS2 til en organisk halvleder, som har lignende absorptionsstyrker som MoS2. Teorien bag brugen af ​​begge materialer er, at interaktionen mellem MoS2 -laget og den organiske halvleder skal føre til effektiv ladningsoverførsel. Petoukhoffs forskning, udgivet i ACS Nano , demonstrerer for første gang, at ladningsoverførsel mellem disse to lag sker i en ultrahurtig tidsskala, i størrelsesordenen mindre end 100 femtosekunder, eller en tiendedel af en milliontedel af en milliontedel af et sekund.

Tyndheden af ​​disse materialer, imidlertid, bliver en begrænsende faktor i deres effektivitet som fotovoltaik, eller lysenergiomdannelsesenheder. Lysabsorberende anordninger, såsom solceller og fotodetektorer, kræver en vis optisk tykkelse for at absorbere fotoner, frem for at lade dem passere igennem. For at overvinde dette, forskere fra Femtosecond Spectroscopy Unit tilføjede en række sølv nanopartikler, eller en plasmonisk metasoverflade, til den organiske halvleder-MoS2-hybrid for at fokusere og lokalisere lyset i enheden. Tilføjelsen af ​​metasurface øger materialets optiske tykkelse, mens det udnytter de unikke egenskaber ved det ultratynde aktive lag, som i sidste ende øger den samlede absorption.

Mens denne forskning stadig er i sin vorden, dens konsekvenser for fremtiden er enorme. Kombinationer med 2-D materialer har potentiale til at revolutionere salgbarheden af ​​optoelektroniske enheder. Konventionelle optoelektroniske enheder er dyre at fremstille og er ofte fremstillet af knappe eller giftige elementer, såsom indium eller arsen. Organiske halvledere har lave fremstillingsomkostninger, and are made of earth-abundant and non-toxic elements. This research can potentially improve the cost and efficiency of optoelectronics, leading to better products in the future.