Door magische draaihoeken en unieke energietoestanden, het is mogelijk om op maat te ontwerpen, atomair dunne materialen die van onschatbare waarde kunnen zijn voor toekomstige elektronica. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, en de Universiteit van Regensburg in Duitsland hebben licht geworpen op de ultrasnelle dynamiek in deze nieuwe materialen. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurmaterialen .

Stel je voor dat je een energiezuinige en superdunne zonnecel bouwt. Je hebt een materiaal dat stroom geleidt en een ander dat licht absorbeert. Je moet dus beide materialen gebruiken om de gewenste eigenschappen te bereiken, en het resultaat is misschien niet zo dun als je had gehoopt.

Stel je nu voor dat je atomair dunne lagen van elk materiaal hebt, die je op elkaar legt. Je draait de ene laag een bepaalde hoeveelheid naar de andere toe, en plotseling ontstaat er een nieuwe verbinding, met speciale energietoestanden - bekend als tussenlaagse excitonen - die in beide lagen voorkomen. Je hebt nu je gewenste materiaal op een atomair dun niveau.

Hermelijn Malic, onderzoeker aan de Chalmers University of Technology, in samenwerking met Duitse onderzoekscollega's rond Rupert Huber aan de Universiteit van Regensburg, is er nu in geslaagd om te laten zien hoe snel deze toestanden worden gevormd en hoe ze kunnen worden afgestemd door middel van draaiende hoeken. Het stapelen en draaien van atomair dunne materialen zoals Legoblokjes, in nieuwe materialen die bekend staan ​​als 'heterostructuren', is een onderzoeksgebied dat nog in de kinderschoenen staat.

"Deze heterostructuren hebben een enorm potentieel, omdat we materialen op maat kunnen ontwerpen. De technologie kan worden gebruikt in zonnecellen, flexibele elektronica, en mogelijk in de toekomst in kwantumcomputers, " zegt Ermin Malic, Professor bij de afdeling Natuurkunde van Chalmers.

Ermin Malic en zijn promovendi Simon Ovesen en Samuel Brem werkten onlangs samen met onderzoekers van de Universiteit van Regensburg. De Zweedse groep was verantwoordelijk voor het theoretische deel van het project, terwijl de Duitse onderzoekers de experimenten uitvoerden. Voor de eerste keer, met behulp van unieke methoden, ze slaagden erin de geheimen achter de ultrasnelle vorming en dynamiek van tussenlaagse excitonen in heterostructuurmaterialen te onthullen. Ze gebruikten twee verschillende lasers om de volgorde van gebeurtenissen te volgen. Door atomair dunne materialen naar elkaar toe te draaien, ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om te bepalen hoe snel de excitondynamiek optreedt.

"Dit opkomende onderzoeksgebied is even fascinerend en interessant voor de academische wereld als voor de industrie, ", zegt Ermin Malic. Hij leidt het Chalmers Graphene Centre, die onderzoek verzamelt, onderwijs en innovatie rond grafeen, andere atomair dunne materialen en heterostructuren onder één gemeenschappelijke paraplu.

Dit soort veelbelovende materialen staan ​​bekend als tweedimensionale (2-D) materialen, omdat ze alleen uit een atomair dunne laag bestaan. Door hun opmerkelijke eigenschappen, ze worden beschouwd als een groot potentieel op verschillende technologische gebieden. grafeen, bestaande uit een enkele laag koolstofatomen, is het bekendste voorbeeld. Het begint te worden toegepast in de industrie, bijvoorbeeld in supersnelle en zeer gevoelige detectoren, flexibele elektronische apparaten en multifunctionele materialen in de automobielindustrie, ruimtevaart- en verpakkingsindustrie.

Maar grafeen is slechts een van de vele 2D-materialen die van groot nut kunnen zijn voor onze samenleving. Er is momenteel veel discussie over heterostructuren bestaande uit grafeen gecombineerd met andere 2D-materialen. In slechts een korte tijd, onderzoek naar heterostructuren heeft grote vorderingen gemaakt, en het journaal Natuur heeft onlangs een aantal baanbrekende artikelen op dit onderzoeksgebied gepubliceerd.

bij Chalmers, verschillende onderzoeksgroepen werken in de voorhoede van grafeen. Het Graphene Center investeert nu in nieuwe infrastructuur om het onderzoeksgebied te kunnen verbreden naar andere 2D-materialen en heterostructuren.

"We willen hier bij Chalmers een sterke en dynamische hub voor 2D-materialen opzetten, zodat we bruggen kunnen bouwen naar de industrie en ervoor kunnen zorgen dat onze kennis de samenleving ten goede komt, ' zegt Ermin Malic.

De krant, gepubliceerd in Natuurmaterialen , is getiteld "Ultrasnelle overgang tussen excitonfasen in van der Waals heterostructuren."