Undersøgelse kaster lys over - og gennem - 2-D materialer

Metalliske eller halvledende materialers evne til at absorbere, reflektere og handle på lys er af primær betydning for forskere, der udvikler optoelektronik – elektroniske enheder, der interagerer med lys for at udføre opgaver. Rice University-forskere har nu produceret en metode til at bestemme egenskaberne af atomtynde materialer, der lover at forfine moduleringen og manipulationen af ​​lys.

Todimensionelle materialer har været et varmt forskningsemne siden grafen, et fladt gitter af kulstofatomer, blev identificeret i 2001. Siden da har videnskabsmænd har løbet for at udvikle, enten i teorien eller i laboratoriet, nye 2D-materialer med en række optiske, elektroniske og fysiske egenskaber.

Indtil nu, de har manglet en omfattende guide til de optiske egenskaber, som disse materialer tilbyder som ultratynde reflektorer, sendere eller absorbere.

Materialeteoretikerens rislaboratorium Boris Yakobson tog udfordringen op. Yakobson og hans medforfattere, kandidatstuderende og hovedforfatter Sunny Gupta, postdoc-forsker Sharmila Shirodkar og forsker Alex Kutana, brugte state-of-the-art teoretiske metoder til at beregne de maksimale optiske egenskaber for 55 2-D materialer.

"Det vigtige nu, hvor vi forstår protokollen, er, at vi kan bruge den til at analysere ethvert 2-D-materiale, " sagde Gupta. "Dette er en stor beregningsmæssig indsats, men nu er det muligt at vurdere ethvert materiale på et dybere kvantitativt niveau."

Deres arbejde, som vises i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano , detaljer om monolagenes transmittans, absorbans og reflektans, egenskaber, som de i fællesskab døbte TAR. På nanoskala, lys kan interagere med materialer på unikke måder, fremkalder elektron-foton-interaktioner eller udløser plasmoner, der absorberer lys ved én frekvens og udsender det i en anden.

Ved at manipulere 2D-materialer kan forskere designe stadigt mindre enheder som sensorer eller lysdrevne kredsløb. Men først hjælper det at vide, hvor følsomt et materiale er over for en bestemt bølgelængde af lys, fra infrarød til synlige farver til ultraviolet.

"Generelt, Den almindelige visdom er, at 2-D-materialer er så tynde, at de skal synes at være i det væsentlige gennemsigtige, med ubetydelig refleksion og absorption, " sagde Yakobson. "Overraskende nok, vi fandt ud af, at hvert materiale har en udtryksfuld optisk signatur, med en stor del af lys af en bestemt farve (bølgelængde), der absorberes eller reflekteres."

Medforfatterne forudser fotodetektions- og moduleringsenheder, og polariserende filtre er mulige anvendelser for 2-D-materialer, der har retningsafhængige optiske egenskaber. "Flerlagsbelægninger kunne give god beskyttelse mod stråling eller lys, gerne fra lasere, " sagde Shirodkar. "I sidstnævnte tilfælde, heterostrukturerede (flerlags) film - belægninger af komplementære materialer - kan være nødvendige. Større lysintensiteter kan frembringe ikke-lineære effekter, og redegørelse for dem vil helt sikkert kræve yderligere forskning."

Forskerne modellerede 2-D stakke såvel som enkeltlag. "Stakke kan udvide spektralområdet eller skabe ny funktionalitet, som polarisatorer, " sagde Kutana. "Vi kan tænke på at bruge stablede heterostrukturmønstre til at gemme information eller endda til kryptografi."

Blandt deres resultater, forskerne bekræftede, at stakke af grafen og borophen i høj grad reflekterer mellem-infrarødt lys. Deres mest slående opdagelse var, at et materiale lavet af mere end 100 enkeltatomlag af bor - som stadig kun ville være omkring 40 nanometer tykt - ville reflektere mere end 99 procent af lyset fra det infrarøde til ultraviolet, bedre end dopet grafen og bulk sølv.

Der er en sidegevinst, der også passer med Yakobsons kunstneriske følsomhed. "Nu hvor vi kender de optiske egenskaber af alle disse materialer - de farver, de reflekterer og transmitterer, når de rammes af lys - kan vi tænke på at lave Tiffany-stil farvede glasvinduer på nanoskalaen, sagde han. Det ville være fantastisk!