(Phys.org) — Wetenschappers van SLAC, Stanford en Berkeley Lab kweekten platen van een exotisch materiaal in een enkele atoomlaag en maten voor het eerst de elektronische structuur ervan. Ze ontdekten dat het een natuurlijke pasvorm is voor het maken van dunne, flexibele op licht gebaseerde elektronica.

In een studie gepubliceerd op 22 december in Natuur Nanotechnologie , de onderzoekers geven een recept om de dunst mogelijke vellen van het materiaal te maken, genaamd molybdeendiselenide of MoSe ₂ , op een nauwkeurig gecontroleerde manier, met behulp van een techniek die gebruikelijk is in de productie van elektronica.

"We hebben het juiste recept gevonden, en we geven het in de krant zodat mensen het meer voor industriële doeleinden kunnen ontwikkelen, " zei Sung-Kwan Mo, een straalwetenschapper bij de Advanced Light Source (ALS) van het Lawrence Berkeley National Laboratory, waar het materiaal is gemaakt.

"Op basis van tests bij de ALS en bij Stanford, nu kunnen we MoSe zeggen ₂ heeft mogelijke toepassingen in foto-elektronische apparaten, zoals lichtdetectoren en zonnecellen, " zei Yi Zhang, een postdoctoraal onderzoeker die de apparatuur heeft ontworpen en gebouwd om de dunne platen te maken, en de eerste auteur van het rapport. Het materiaal heeft ook potentieel voor nieuwe soorten elektronica die nog in de toekomst liggen, hij zei. Zhang is verbonden aan Berkeley Lab en het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, die gezamenlijk wordt beheerd met SLAC National Accelerator Laboratory.

Enkele atoomplaten van MoSe ₂ hebben de laatste tijd veel wetenschappelijke belangstelling gewekt omdat ze tot een kleine klasse materialen behoren die licht en gloed met grote efficiëntie absorberen.

Maar tot nu toe, niemand had extreem dunne lagen MoSe . kunnen maken ₂ in aanzienlijke hoeveelheden en observeren rechtstreeks de evolutie van hun elektronische structuur. Dit is belangrijk omdat het elektronische gedrag van een materiaal fundamenteel kan veranderen, en op handige manieren, wanneer zijn elektronen beperkt zijn tot zulke dunne lagen.

Om de lakens te maken, onderzoekers verwarmden molybdeen en selenium in een vacuümkamer bij de ALS totdat ze verdampten. De twee elementen gecombineerd en werden afgezet als een dunne, hoogwaardige folie. Door het proces aan te passen, bekend als moleculaire bundelepitaxie, de wetenschappers waren in staat om films te kweken die één tot acht atoomlagen dik waren.

Het team onderzocht de elektronische structuur van de film met de krachtige röntgenstraal van de ALS, en later met apparatuur op Stanford. Ze vonden het eerste directe experimentele bewijs dat het materiaal abrupt van elektronische structuur verandert, een veel efficiëntere absorber en emitter van zichtbaar licht worden, wanneer gemaakt in vellen die atomair dun zijn.

Het team ontdekte ook dat elektronen met verschillende spins - beschreven als "omhoog" of "omlaag" - langs verschillende paden en in tegengestelde richtingen reizen door de hexagonale structuur van enkellaags MoSe ₂ . Dit zou nuttig kunnen zijn in "spintronica, " een technologie van de volgende generatie die de spins van elektronen zou gebruiken, in plaats van hun last, informatie te dragen en op te slaan, zei Yongtao Cui, een postdoctoraal onderzoeker uit Stanford die betrokken was bij het testen van de film.

De nieuwe structuur van MoSe2 leent zich wellicht ook voor een nog nieuwer concept genaamd "valleytronics, " waarin zowel spin als lading worden gebruikt om informatie te transporteren en op te slaan. Dit idee dook in 2002 op; zoals spintronica, het wordt gretig onderzocht als een mogelijke manier om de trend naar kleinere, sneller, goedkopere elektronische apparaten.

"Dit veld bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling, " zei Cui. "Mensen hebben deze toepassingen in gedachten, maar naarmate het onderzoek vordert, kunnen ze nieuwe aspecten van deze materialen ontdekken, en mogelijk nieuwe toepassingen."