Skræddersy 2-D materialer for at forbedre elektroniske og optiske enheder

Nye muligheder for fremtidig udvikling inden for elektroniske og optiske enheder er blevet låst op af de seneste fremskridt inden for todimensionelle (2-D) materialer, ifølge forskere fra Penn State.

Forskerne, ledet af Shengxi Huang, assisterende professor i elektroteknik og biomedicinsk teknik ved Penn State, for nylig offentliggjort resultaterne af to separate, men relaterede opdagelser vedrørende deres succes med at ændre de tynde 2-D-materialer til anvendelse i mange optiske og elektroniske enheder. Ved at ændre materialet på to forskellige måder - atomisk og fysisk - var forskerne i stand til at forbedre lysudsendelsen og øge signalstyrken, udvider grænserne for, hvad der er muligt med enheder, der er afhængige af disse materialer.

I den første metode, forskerne ændrede materialernes atomare sammensætning. I almindeligt anvendte 2-D materialer, forskere stoler på samspillet mellem de tynde lag, kendt som van der Waals mellemlagskobling, for at skabe ladningsoverførsel, der derefter bruges i enheder. Imidlertid, denne mellemlagskobling er begrænset, fordi ladningerne traditionelt er fordelt jævnt på de to sider af hvert lag.

For at styrke koblingen, forskerne skabte en ny type 2-D materiale kendt som Janus transition metal dichalcogenides ved at erstatte atomer på den ene side af laget med en anden type atomer, skabe ujævn fordeling af afgiften.

"Denne [atomændring] betyder, at ladningen kan fordeles ujævnt, " sagde Huang. "Det skaber et elektrisk felt i flyet, og kan tiltrække forskellige molekyler på grund af det, som kan øge lysudsendelsen."

Også, hvis van der Waals mellemlagskobling kan indstilles til det rigtige niveau ved at vride lag med en bestemt vinkel, det kan inducere superledning, har betydning for fremskridt inden for elektroniske og optiske enheder.

I den anden metode til at ændre 2-D materialer for at forbedre deres muligheder, forskerne styrkede signalet, der var resultatet af en energiopkonverteringsproces ved at tage et lag af MoS2, et almindeligt 2D-materiale, der normalt er fladt og tyndt, og rulle den til en nogenlunde cylindrisk form.

Energiomdannelsesprocessen, der finder sted med MoS2-materialet er en del af en ikke-lineær optisk effekt, hvor hvis et lys skinner ind i en genstand, frekvensen fordobles, det er her energiomsætningen kommer ind.

"Vi ønsker altid at fordoble frekvensen i denne proces, " sagde Huang. "Men signalet er normalt meget svagt, så det er meget vigtigt at forbedre signalet."

Ved at rulle materialet, forskerne opnåede en mere end 95 gange signalforbedring.

Nu, Huang planlægger at sætte disse to fremskridt sammen.

"Det næste trin for vores forskning er at besvare, hvordan vi kan kombinere atomteknik og formteknologi for at skabe bedre optiske enheder, " hun sagde.

Et papir om forskning i atomstrukturen, "Forbedring af van der Waals mellemlagskobling gennem Polar Janus MoSSe, " blev for nylig offentliggjort i Journal of the American Chemical Society (ACS). Papiret om forskning i at rulle materialerne, "Chiralitetsafhængig anden harmonisk generation af MoS2Nanoscroll med forbedret effektivitet, " blev offentliggjort for nylig i ACS Nano .