Natuurkundigen van de Universiteit van Kansas hebben een innovatieve stof gefabriceerd uit twee verschillende atoomplaten die in elkaar grijpen zoals Lego-speelgoedstenen. De onderzoekers zeiden dat het nieuwe materiaal - gemaakt van een laag grafeen en een laag wolfraamdisulfide - kan worden gebruikt in zonnecellen en flexibele elektronica. Hun bevindingen worden vandaag gepubliceerd door Natuurcommunicatie .

Hsin-Ying Chiu, universitair docent natuurkunde en sterrenkunde, en afgestudeerde student Matt Bellus vervaardigde het nieuwe materiaal met behulp van "laag-voor-laag assemblage" als een veelzijdige bottom-up nanofabricagetechniek. Vervolgens, Jiaqi Hij, een bezoekende student uit China, en Nardeep Kumar, een afgestudeerde student die nu is verhuisd naar Intel Corp., onderzocht hoe elektronen tussen de twee lagen bewegen door middel van ultrasnelle laserspectroscopie in KU's Ultrafast Laser Lab, onder toezicht van Hui Zhao, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde.

"Het bouwen van kunstmatige materialen met synergetische functionaliteit is een lange ontdekkingsreis geweest, " zei Chiu. "Een nieuwe klasse materialen, gemaakt van de gelaagde materialen, heeft veel aandacht getrokken sinds de snelle ontwikkeling van grafeentechnologie. Een van de meest veelbelovende aspecten van dit onderzoek is het potentieel om materialen van de volgende generatie te bedenken via atomaire controle op laagniveau over de elektronische structuur."

Volgens de onderzoekers is de benadering is om synergetische materialen te ontwerpen door twee enkel-atoom dikke platen te combineren, bijvoorbeeld, fungeert als een fotovoltaïsche cel en als een lichtgevende diode, het omzetten van energie tussen elektriciteit en straling. Echter, het combineren van lagen van atomair dun materiaal is een netelige taak die onderzoekers al jaren voor de gek houdt.

"Een grote uitdaging van deze aanpak is dat, de meeste materialen verbinden niet met elkaar vanwege hun verschillende atomaire rangschikkingen op het grensvlak - de rangschikking van de atomen kan niet tegelijkertijd de twee verschillende sets regels volgen, "Zei Chiu. "Dit is alsof je speelt met lego's van verschillende grootte, gemaakt door verschillende fabrikanten. Als gevolg hiervan, nieuwe materialen kunnen alleen worden gemaakt van materialen met zeer vergelijkbare atomaire rangschikkingen, die vaak vergelijkbare eigenschappen hebben, te. Zelfs dan, rangschikking van atomen op het grensvlak is onregelmatig, wat vaak resulteert in slechte eigenschappen."

Gelaagde materialen zoals ontwikkeld door de KU-onderzoekers bieden een oplossing voor dit probleem. In tegenstelling tot conventionele materialen gevormd door atomen die sterk gebonden zijn in alle richtingen, het nieuwe materiaal heeft twee lagen waarbij elke atoomplaat is samengesteld uit atomen die sterk verbonden zijn met hun buren - maar de twee atoomplaten zijn zelf slechts zwak met elkaar verbonden door de zogenaamde van der Waals-kracht, hetzelfde aantrekkelijke fenomeen tussen moleculen waardoor gekko's aan muren en plafonds kunnen kleven.

"Er bestaan ​​ongeveer 100 verschillende soorten gelaagde kristallen - grafiet is een bekend voorbeeld, ' zei Bellus. 'Vanwege de zwakke verbinding tussen de lagen, men kan twee soorten atoomplaten kiezen en zonder problemen op elkaar leggen. Het is alsof je Lego speelt met een platte bodem. Er is geen beperking. Deze benadering kan potentieel een groot aantal nieuwe materialen opleveren met gecombineerde nieuwe eigenschappen en de materiaalwetenschap transformeren."

Chiu en Bellus creëerden het nieuwe koolstof- en wolfraamdisulfidemateriaal met als doel nieuwe materialen te ontwikkelen voor efficiënte zonnecellen. De enkele laag koolstofatomen, bekend als grafeen, blinkt uit in het verplaatsen van elektronen, terwijl een enkele laag wolfraamdisulfide-atomen goed is in het absorberen van zonlicht en het omzetten in elektriciteit. Door de twee te combineren, dit innovatieve materiaal kan beide taken mogelijk goed uitvoeren.

Het team gebruikte tape om een ​​enkele laag wolfraamdisulfide-atomen van een kristal te tillen en op een siliciumsubstraat aan te brengen. Volgende, ze gebruikten dezelfde procedure om een ​​enkele laag koolstofatomen uit een grafietkristal te verwijderen. Met een microscoop, ze legden het grafeen precies op de wolfraamdisulfidelaag. Om eventuele lijm tussen de twee atomaire lagen te verwijderen die tijdens het proces onbedoeld zijn ingebracht, het materiaal werd gedurende een half uur op ongeveer 500 graden Fahrenheit verwarmd. Hierdoor kon de kracht tussen de twee lagen de lijm eruit persen, wat resulteert in een monster van twee atomair dunne lagen met een schoon grensvlak.

Promovendi Hij en Kumar testten het nieuwe materiaal in het Ultrafast Laser Lab van de KU. De onderzoekers gebruikten een laserpuls om de wolfraamdisulfidelaag te prikkelen.

"We ontdekten dat bijna 100 procent van de elektronen die de energie van de laserpuls absorbeerden, binnen één picoseconde van wolfraamdisulfide naar grafeen gaan, of een miljoenste van een miljoenste seconde, "Zei Zhao. "Dit bewijst dat het nieuwe materiaal inderdaad de goede eigenschappen van elke componentlaag combineert."

De onderzoeksgroepen onder leiding van Chiu en Zhao proberen deze Lego-aanpak toe te passen op andere materialen. Bijvoorbeeld, door twee materialen te combineren die licht van verschillende kleuren absorberen, ze kunnen materialen maken die reageren op verschillende delen van het zonnespectrum.