(Phys.org) — Een onderzoeksteam van de Universiteit van Kansas heeft krachtige lasers gebruikt om de snelheid en beweging van elektronen te volgen in een innovatief materiaal dat slechts één atoom dik is. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het huidige nummer van ACS Nano , een peer-reviewed tijdschrift gericht op nanowetenschap.

Het werk aan het Ultrafast Laser Lab van de KU zou de weg kunnen wijzen naar de volgende generatie transistors en zonnepanelen gemaakt van solide, atomair dunne materialen.

"Als de vaste stof een dunne laag is, elektronen zijn opgesloten in deze dunne laag, " zei Hui Zhao, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde, die het team leidt. "Een elektron dat vrij in twee dimensies kan bewegen, gedraagt ​​zich heel anders dan degenen die in alle drie dimensies bewegen. Het verandert de manier waarop elektronen omgaan met de omgeving totaal. Onder de juiste omstandigheden, elektronen die in twee dimensies bewegen, zullen minder snel botsen met andere dingen in de vaste stof, en daarom wordt hun beweging minder verstoord. Snellere elektronenbeweging leidt vaak tot betere prestaties van apparaten."

Om de elektronen te volgen, Zhao en afgestudeerde studenten Qiannan Cui, Frank Ceballos en Nardeep Kumar creëerden een één-atoomlaag van wolfraamdisulfide, een materiaal dat wordt gebruikt in zonnecellen en als smeermiddel.

De KU-onderzoekers produceerden de enkele atoomlaag door gebruik te maken van de "Scotch tape-methode" die voor het eerst werd gebruikt door wetenschappers van de Universiteit van Manchester om "grafeen, " een materiaal dat zijn makers in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde opleverde.

"Tungsten diselenide is een van de weinige atomair dunne materialen waarvan bekend is dat ze stabiel zijn onder omgevingsomstandigheden, "Zei Zhao. "We hebben niet veel keuzes. De meeste materialen kunnen niet op een enkelvoudig atoomlaagformaat blijven. Ze zullen breken of veranderen in andere vormen."

Toen het team eenmaal een enkele atoom dikke vlok van het wolfraamdiselenide had gemaakt, ze regelden ongeveer 100 spiegels, lenzen en kristallen op een trillingsvrije tafel om een ​​transiënte absorptiemicroscoop te creëren. Volgende, ze richtten een ultrakorte laserpuls - met een duur van slechts een tiende van een miljardste van een seconde - op het monster. Honderden elektronen in een oppervlakte van één vierkante micrometer van het materiaal absorbeerden de energie van de laser en werden energiek genoeg om vrij in het monster te bewegen.

"Hun beweging is vergelijkbaar met die energieke kinderen, behalve dat ze veel sneller bewegen en veel vaker botsen, ' zei Zhao.

Het vermogen van het team om de beweging van de elektronen te volgen en hun snelheid te bepalen, is de belangrijkste doorbraak van het onderzoek.

"Om de beweging van deze energetische elektronen te volgen, we gebruikten een andere laserpuls om de locatie van deze elektronen op elke miljardste seconde te volgen totdat ze hun energie verloren en tot rust kwamen, "Zei Zhao. "De meting werd automatisch 80 miljoen keer per seconde herhaald om de ruis uit te middelen. We ontdekten dat de elektronen ongeveer 4 miljard keer per seconde tegen andere deeltjes botsen, gemiddeld."

De snelheid van elektronen in een materiaal is een van de belangrijkste elektronische eigenschappen, volgens de onderzoeker.

"Het vertaalt zich voor een snellere werking in logische apparaten en computers, hogere efficiëntie in zonnecellen en betere gevoeligheid in sensoren, "zei Zhao. "In staat zijn om deze kwaliteit te meten is de eerste stap om eventuele beperkende factoren te begrijpen en te verbeteren. Andere onderzoekers leiden elektronenbeweging af door stroom versus spanning te meten. Het is minder direct en vereist het aansluiten van de halfgeleider op elektroden. Dit kan erg moeilijk zijn voor kleine en dunne monsters. Onze aanpak is direct en niet-invasief."

Niet tevreden om eenvoudig de activiteit van de elektronen te volgen, Zhao en zijn team hopen de prestaties van elektronen te verbeteren om efficiëntere, krachtigere elektronische apparaten dan de huidige generatie die siliconen als transistormateriaal gebruiken.

"Ons volgende doel langs deze lijn is om manieren te vinden om de elektronensnelheid te verhogen met:bijvoorbeeld, het aanbrengen van de enkele lagen op een meer geschikte ondergrond of het aanpassen van het materiaal, " zei hij. "Een andere richting is om dit materiaal te gebruiken, samen met anderen, nieuw vormen, door de mens gemaakte 3D-kristallen. Het is mogelijk dat dergelijke kristallen zich in de komende jaren zullen ontwikkelen, omdat er veel groepen mee bezig zijn. Het is moeilijk te voorspellen wanneer dit gecommercialiseerd kan worden. Dit is slechts één mogelijke oplossing voor het vervangen van silicium voor de elektronica-industrie. Het huidige doel is om te leren hoe de kwaliteit van materialen, verlaag de kosten en probeer hun voor- en nadelen te begrijpen."