Fysikere observerer modificerede energilandskaber i skæringspunktet mellem 2D-materialer

I 1884, Edwin Abbott skrev romanen Flatland:A Romance in Many Dimensions som en satire over det victorianske hierarki. Han forestillede sig en verden, der kun eksisterede i to dimensioner, hvor væsenerne er 2D geometriske figurer. Fysikken i en sådan verden er lidt beslægtet med moderne 2D-materialer, såsom grafen og overgangsmetal dichalcogenider, som inkluderer wolframdisulfid (WS ₂ ), wolframdiselenid (WSe ₂ ), molybdændisulfid (MoS ₂ ) og molybdændiselenid (MoSe ₂ ).

Moderne 2D-materialer består af enkeltatomlag, hvor elektroner kan bevæge sig i to dimensioner, men deres bevægelse i den tredje dimension er begrænset. På grund af denne 'klemning', 2D-materialer har forbedrede optiske og elektroniske egenskaber, der er lovende som næste generation, ultratynde enheder inden for energi, kommunikation, billeddannelse og kvanteberegning, blandt andre.

Typisk, for alle disse applikationer, 2D-materialerne er forestillet i fladtliggende arrangementer. Desværre, imidlertid, styrken af ​​disse materialer er også deres største svaghed – de er ekstremt tynde. Det betyder, at når de er belyst, lys kan kun interagere med dem over en lille tykkelse, hvilket begrænser deres anvendelighed. For at overvinde denne mangel, forskere begynder at lede efter nye måder at folde 2D-materialerne til komplekse 3D-former.

I vores 3D-univers, 2D-materialer kan arrangeres oven på hinanden. For at udvide Flatland-metaforen, et sådant arrangement ville bogstaveligt talt repræsentere parallelle verdener beboet af mennesker, som er bestemt til aldrig at mødes.

Nu, forskere fra Institut for Fysik ved University of Bath i Storbritannien har fundet en måde at arrangere 2D-ark af WS på ₂ (tidligere oprettet i deres laboratorium) til en 3D-konfiguration, hvilket resulterer i et energilandskab, der er stærkt modificeret i forhold til det fladtliggende WS ₂ ark. Dette særlige 3D-arrangement er kendt som en 'nanomesh':et svømmevæv af tætpakket, tilfældigt fordelte stakke, indeholdende snoet og/eller sammensmeltet WS ₂ ark.

Ændringer af denne art i Flatland ville give folk mulighed for at træde ind i hinandens verdener. "Vi satte os ikke for at plage indbyggerne i Flatland, " sagde professor Ventsislav Valev, der ledede forskningen, "Men på grund af de mange defekter, som vi nanokonstruerede i 2D-materialerne, disse hypotetiske indbyggere ville finde deres verden ganske mærkelig.

"Først, vores WS2 plader har endelige dimensioner med uregelmæssige kanter, så deres verden ville få en underligt formet ende. Også, nogle af svovlatomerne er blevet erstattet af oxygen, hvilket ville føles bare forkert for enhver indbygger. Mest vigtigt, vores ark skærer hinanden og smelter sammen, og endda sno sig oven på hinanden, som ændrer materialernes energilandskab. For Flatlænderne, sådan en effekt ville se ud som om universets love pludselig havde ændret sig i hele deres landskab."

Dr. Adelina Ilie, der udviklede det nye materiale sammen med sin tidligere ph.d. studerende og post-doc Zichen Liu, sagde:"Det modificerede energilandskab er et nøglepunkt for vores undersøgelse. Det er et bevis på, at samling af 2D-materialer til et 3D-arrangement ikke kun resulterer i 'tykkere' 2D-materialer – det producerer helt nye materialer. Vores nanomesh er teknologisk let at producere , og det tilbyder justerbare materialeegenskaber for at imødekomme kravene til fremtidige applikationer."

Professor Valev tilføjede:"Nanomeshen har meget stærke ikke-lineære optiske egenskaber - den konverterer effektivt én laserfarve til en anden over en bred palet af farver. Vores næste mål er at bruge den på Si-bølgeledere til udvikling af kvanteoptisk kommunikation."

Ph.D. studerende Alexander Murphy, også involveret i forskningen, sagde:"For at afsløre det modificerede energilandskab, vi udtænkte nye karakteriseringsmetoder, og jeg ser frem til at anvende disse på andre materialer. Hvem ved, hvad vi ellers kunne opdage?"