Brug af scotch tape og laserstråler, forskere laver nyt materiale, der kan forbedre LED-skærme

En forsidehistorie, der vises i det peer-reviewede tidsskrift Nanoskala horisonter rapporterer et nyt dobbeltlagsmateriale, med hvert lag, der måler mindre end én nanometer i tykkelse, som en dag kan føre til mere effektiv og alsidig lysudsendelse.

Forskere, der arbejder ved Ultrafast Laser Lab ved University of Kansas, har med succes skabt materialet ved at kombinere atomisk tynde lag af molybdændisulfid og rheniumdisulfid.

"Begge absorberer lys meget godt som halvledere, og de er begge meget fleksible, kan strækkes eller komprimeres, " sagde Hui Zhao, lektor i fysik og astronomi ved KU, der var medforfatter til avisen. "Målet med hele denne forskningsretning er at producere lysemitterende enheder, såsom LED'er, der er ultratynde - kun et par nanometer tykke - og fleksible nok til, at du kan bøje den. Vi viste gennem dette dobbeltlagsmateriale, det kan opnås."

For at forklare gennembruddet, Zhao sammenligner elektronernes adfærd i det nye materiale med et klasseværelse.

"Man kan tænke på et materiale som et klasseværelse fyldt med elever - som er elektronerne - en på hvert sæde, " sagde han. "Sidder på et sæde, en elev – eller elektron – kan ikke bevæge sig frit for at lede elektricitet. Lys kan give nok energi til at rejse nogle af eleverne, som nu kan bevæge sig frit og, som elektroner, at lede elektricitet. Denne proces er grundlaget for fotovoltaiske enheder, hvor sollysets energi fanges og omdannes til elektricitet."

KU-forskeren sagde, at emission af lys involverer den omvendte proces, hvor en stående elektron sætter sig i et sæde, frigiver sin kinetiske energi i form af lys.

"For at lave et godt materiale til lysemissionsenheder, man har ikke kun brug for elektronerne, der bærer energi, men også 'sæderne' - kaldet huller - til at elektronerne kan sidde ned, " han sagde.

Tidligere undersøgelser fra flere grupper, inklusive Zhaos, har produceret forskellige dobbeltlagsmaterialer ved at stable forskellige typer atomark. Imidlertid, i disse materialer, elektronerne og "sæderne" findes i forskellige atomlag.

"Fordi elektroner ikke nemt kan finde sæder, lysemissionseffektiviteten af ​​disse tolagsmaterialer er meget lav - mere end 100 gange lavere end i et atomlag, " han sagde.

Men i det nye materiale annonceret af Zhao og hans medforfattere, "Alle elektronerne og deres sæder vil være i deres oprindelige lag, i stedet for adskilt. Lysemissionen vil være meget stærkere."

Zhao og forskerne Matthew Bellus, Samuel Lane, Frank Ceballos og Qiannan Cui, alle KU fysik kandidatstuderende, og Ming Li og Xiao Cheng Zeng fra University of Nebraska-Lincoln skabte det nye materiale ved hjælp af den samme lavteknologiske "scotch tape"-metode, som var banebrydende i at skabe grafen, det enkelt-atomare lag materiale, der vandt sine skabere Nobelprisen i fysik i 2010.

"Der er et trick, " sagde Zhao. "Du bruger scotch tape til at fjerne et lag fra krystallen, og så folder du tapen et par gange, så når du skubber tapen mod et underlag og hurtigt piller det af, noget af materialet vil efterlades på underlaget. Under et mikroskop, enkeltatomlagssektioner vil have en anden farve på grund af deres tykkelse - meget som en tynd film af olie på vand."

Forskerne ved KU's Ultrafast Laser Lab, ledet af Bellus, avisens første forfatter, derefter opnået det mest udfordrende trin:at stable MoS2-laget oven på ReS2, med en præcision bedre end en mikrometer. De atomare tynde plader var forbundet med den såkaldte van der Waals-kraft, den samme kraft, som gør det muligt for en gekko at skalere en glat vinduesrude. "Van der Waals-kraften er ikke særlig følsom over for atomarrangementet, " sagde Zhao. "Så, man kan bruge disse atomark til at danne flerlagsmaterialer, på en måde som atomare Lego."

Efter at prøverne var lavet, teammedlemmer brugte ultrahurtige lasere til at observere bevægelse af elektroner og sæder mellem de to atomlag, og de så klare beviser på, at både elektroner og sæder kan bevæge sig fra MoS2 til ReS2, men ikke i den modsatte retning.

Derved, holdet bekræftede teoretiske beregninger udført af Li og Zeng, som tidligere havde analyseret relaterede egenskaber af omkring et dusin atomark, og forudsagde, at dobbeltlag dannet af MoS2 og ReS2 ville have lovende som grundlag for LED-teknologi.

Ifølge Zhao, det ultimative mål er at udvikle en metode, der tillader præcis kontrol af placeringen af ​​elektroner og sæder blandt forskellige atomlag, så materialets elektroniske og optiske egenskaber kan kontrolleres og optimeres.

"Vi vil en dag gerne se lysdioder, der er tyndere, mere energieffektiv og bøjelig, " sagde han. "Tænk på en computer- eller telefonskærm, hvis du kunne folde den et par gange eller putte den i lommen."