Oprettelse af brugerdefineret lys ved hjælp af 2-D materialer

At finde nye halvledermaterialer, der udsender lys, er afgørende for at udvikle en lang række elektroniske enheder. Men at lave kunstige strukturer, der udsender lys, der er skræddersyet til vores specifikke behov, er et endnu mere attraktivt forslag. Imidlertid, lysemission i en halvleder forekommer kun, når visse betingelser er opfyldt. I dag, forskere fra universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, i samarbejde med University of Manchester, har opdaget en hel klasse af todimensionelle materialer, der er tykkelsen af ​​et eller et par atomer. Når de kombineres sammen, disse atomtynde krystaller er i stand til at danne strukturer, der udsender lys, der kan tilpasses i den ønskede farve. Denne forskning, offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer , markerer et vigtigt skridt i retning af den fremtidige industrialisering af todimensionale materialer.

halvledermaterialer, der er i stand til at udsende lys, bruges i så forskellige sektorer som telekommunikation, lysemitterende enheder (LED) og medicinsk diagnostik. Lysemission opstår, når en elektron hopper inde i halvlederen fra et højere energiniveau til et lavere niveau. Det er forskellen i energi, der bestemmer farven på det udsendte lys. For at der kan produceres lys, elektronens hastighed før og efter springet skal være nøjagtig den samme, en tilstand, der afhænger af det specifikke halvledende materiale, der overvejes. Kun nogle halvledere kan bruges til lysemission:f.eks. silicium - der bruges til at fremstille vores computere - kan ikke bruges til fremstilling af lysdioder.

"Vi spurgte os selv, om todimensionelle materialer kunne bruges til at lave strukturer, der udsender lys med den ønskede farve, "forklarer Alberto Morpurgo, professor ved Institut for Quantum Matter Physics ved UNIGE Det Naturvidenskabelige Fakultet. To-dimensionelle materialer er perfekte krystaller, som, som grafen, er et eller et par atomer tykke. Takket være de seneste tekniske fremskridt, forskellige todimensionelle materialer kan stables oven på hinanden for at danne kunstige strukturer, der opfører sig som halvledere. Fordelen ved disse "kunstige halvledere" er, at energiniveauerne kan kontrolleres ved at vælge den kemiske sammensætning og tykkelse af de materialer, der udgør strukturen.

"Kunstige halvledere af denne art blev lavet for første gang for kun to eller tre år siden, "forklarer Nicolas Ubrig, en forsker i teamet ledet af professor Morpurgo. "Når de todimensionelle materialer har nøjagtig samme struktur og deres krystaller er perfekt justeret, denne type kunstig halvleder kan udsende lys. Men det er meget sjældent. "Disse betingelser er så strenge, at de efterlader ringe frihed til at kontrollere det udsendte lys.

Brugerdefineret lys

"Vores mål var at klare at kombinere forskellige todimensionelle materialer for at udsende lys, mens de var fri for alle begrænsninger, "fortsætter professor Morpurgo. Fysikerne mente, at, hvis de kunne finde en klasse af materialer, hvor elektronernes hastighed før og efter ændringen i energiniveau var nul, det ville være et ideelt scenario, der altid ville opfylde betingelserne for lysemission, uanset detaljerne i krystalgitterne og deres relative orientering.

Et stort antal kendte todimensionale halvledere har en nul-elektronhastighed i de relevante energiniveauer. Takket være denne mangfoldighed af forbindelser, mange forskellige materialer kan kombineres, og hver kombination er en ny kunstig halvleder, der udsender lys med en bestemt farve. "Når vi fik ideen, det var let at finde de materialer, der skal bruges til at implementere det, "tilføjer professor Vladimir Fal'ko fra University of Manchester. Materialer, der blev brugt i forskningen, omfattede forskellige overgangsmetal -dichalcogenider (såsom MoS2, MoSe2 og WS2) og InSe. Andre mulige materialer er blevet identificeret og vil være nyttige til at udvide farveområdet for lyset fra disse nye kunstige halvledere.

Skræddersyet lys til masseindustrialisering

"Den store fordel ved disse 2-D materialer, takket være det faktum, at der ikke er flere forudsætninger for udsendelse af lys, er, at de giver nye strategier til at manipulere lyset, som vi finder passende, med den energi og farve, vi gerne vil have, "fortsætter Ubrig. Det betyder, at det er muligt at udtænke fremtidige applikationer på et industrielt plan, da det udsendte lys er robust, og der ikke længere er nogen grund til at bekymre sig om atoms justering.