Forskere forbedrer grafens ledende egenskaber, fremskridt løfte om solteknologi

I 2010 Nobelprisen i fysik gik til opdagerne af grafen. Et enkelt lag af kulstofatomer, grafen besidder egenskaber, der er ideelle til en lang række applikationer. Blandt forskere, grafen har været det hotteste materiale i et årti. Alene i 2017 mere end 30, 000 forskningsartikler om grafen blev offentliggjort på verdensplan.

Nu, to forskere fra University of Kansas, Professor Hui Zhao og kandidatstuderende Samuel Lane, både fra Institut for Fysik og Astronomi, har forbundet et grafenlag med to andre atomlag (molybdændiselenid og wolframdisulfid) og derved forlænget levetiden for exciterede elektroner i grafen med flere hundrede gange. Fundet vil blive offentliggjort på Nano Futures, et nylanceret og meget selektivt tidsskrift.

Arbejdet på KU kan fremskynde udviklingen af ​​ultratynde og fleksible solceller med høj effektivitet.

Til elektroniske og optoelektroniske applikationer, grafen har fremragende ladningstransportegenskab. Ifølge forskerne, elektroner bevæger sig i grafen med en hastighed på 1/30 af lysets hastighed - meget hurtigere end andre materialer. Dette kan tyde på, at grafen kan bruges til solceller, som omdanner energi fra sollys til elektricitet. Men grafen har en stor ulempe, der hindrer sådanne applikationer - dets ultrakorte levetid for exciterede elektroner (dvs. den tid en elektron forbliver mobil) på kun omkring et picosekund (en milliontedel af en milliontedel af et sekund, eller 10 ^-12 sekund).

"Disse ophidsede elektroner er som studerende, der rejser sig fra deres pladser - efter en energidrik, for eksempel, som aktiverer elever som sollys aktiverer elektroner, " sagde Zhao. "De energiske elever bevæger sig frit i klasseværelset - som menneskelig elektrisk strøm."

KU-forskeren sagde, at en af ​​de største udfordringer for at opnå høj effektivitet i solceller med grafen som arbejdsmateriale er, at frigjorte elektroner - eller, de stående elever - har en stærk tendens til at miste deres energi og blive immobile, som studerende, der sætter sig tilbage.

"Antallet af elektroner, eller elever fra vores eksempel, hvem der kan bidrage til strømmen bestemmes af den gennemsnitlige tid, de kan forblive mobile, efter at de er blevet befriet af lys, " sagde Zhao. "I grafen, en elektron forbliver fri i kun et picosekund. Dette er for kort til at akkumulere et stort antal mobile elektroner. Dette er en iboende egenskab ved grafen og har været en stor begrænsende faktor for at anvende dette materiale i fotovoltaiske eller fotosensorer. Med andre ord, selvom elektroner i grafen kan blive mobile ved lysexcitation og kan bevæge sig hurtigt, de forbliver kun mobile for kort tid til at bidrage til elektricitet."

I deres nye avis, Zhao og Lane rapporterer, at dette problem kunne løses ved at bruge de såkaldte van der Waals-materialer. Princippet i deres tilgang er ret simpelt at forstå.

"Vi tog stort set stolene væk fra de stående elever, så de ikke har nogen steder at sidde, " sagde Zhao. "Dette tvinger elektronerne til at forblive mobile i en tid, der er flere hundrede gange længere end før."

For at nå dette mål, arbejder i KU's Ultrafast Laser Lab, de designede et tre-lags materiale ved at lægge enkelte lag af MoSe ₂ , WS ₂ og grafen oven på hinanden.

"Vi kan tænke på MoSe ₂ og grafenlag som to klasseværelser fulde af elever, der alle sidder, mens den midterste vrang ₂ lag fungerer som en gang, der adskiller de to rum, " sagde Zhao. "Når lys rammer prøven, nogle af elektronerne i MoSe2 frigives. De får lov til at gå på tværs af WS2-lagsgangen for at komme ind i det andet rum, som er grafen. Imidlertid, gangen er omhyggeligt designet, så elektronerne skal forlade deres pladser i MoSe ₂ . En gang i grafen, de har intet andet valg end at forblive mobile og dermed bidrage til elektriske strømme, fordi deres pladser ikke længere er tilgængelige for dem."

For at demonstrere, at ideen virker, KU-forskerne brugte en ultrakort laserpuls (0,1 picosekund) til at frigøre nogle af elektronerne i MoSe ₂ . Ved at bruge en anden ultrakort laserpuls, de var i stand til at overvåge disse elektroner, når de bevæger sig til grafen. De fandt ud af, at disse elektroner bevæger sig gennem "gangen" på omkring 0,5 picosekund i gennemsnit. De forbliver derefter mobile i omkring 400 picosekunder - en 400 gange forbedring end et enkelt lag grafen, som de også målte i samme undersøgelse.

Forskerne bekræfter også "sæder" tilbage i MoSe ₂ også forblive ledige i samme tid. I den klassiske verden, disse sæder bør forblive tomme for evigt. I kvantemekanik, imidlertid, elektronerne "tunneler" tilbage til disse sæder. Forskerne foreslår, at denne proces bestemmer levetiden for de mobile elektroner. Så, ved at vælge forskellige "gang"-lag, denne tid kan styres til forskellige applikationer.