Een onderzoeksteam van het Worcester Polytechnic Institute (WPI) heeft een revolutionaire, door licht geactiveerd nanocomposietmateriaal van halfgeleiders dat in verschillende toepassingen kan worden gebruikt, inclusief microscopische actuatoren en grijpers voor chirurgische robots, door licht aangedreven microspiegels voor optische telecommunicatiesystemen, en efficiëntere zonnecellen en fotodetectoren.

"Dit is een nieuw wetenschapsgebied, " zei Balaji Panchapakesan, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde bij WPI en hoofdauteur van een paper over het nieuwe materiaal gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , een open access tijdschrift van de uitgevers van Natuur . "Zeer weinig materialen zijn in staat om fotonen direct om te zetten in mechanische beweging. In dit artikel we presenteren het eerste halfgeleider nanocomposietmateriaal waarvan bekend is dat het dit doet. Het is een fascinerend materiaal dat zich ook onderscheidt door zijn hoge sterkte en zijn verbeterde optische absorptie bij mechanische belasting.

"Kleine grijpers en actuatoren die met dit materiaal zijn gemaakt, kunnen op Mars-rovers worden gebruikt om fijne stofdeeltjes op te vangen." merkte Panchapakesan op. "Ze zouden door de bloedbaan kunnen reizen op kleine robots om kankercellen te vangen of minuscule weefselmonsters te nemen. Het materiaal zou kunnen worden gebruikt om micro-actuatoren te maken voor roterende spiegels in optische telecommunicatiesystemen; ze zouden strikt met licht werken, en zou geen andere stroombron nodig hebben."

Net als andere halfgeleidermaterialen, molybdeendisulfide, het materiaal beschreven in de Wetenschappelijke rapporten paper ("Chromatic Mechanical Response in 2-D Layered Transition Metal Dichalcogenide (TMD's)-gebaseerde nanocomposieten"), wordt gekenmerkt door de manier waarop elektronen zijn gerangschikt en bewegen binnen de atomen. Vooral, elektronen in halfgeleiders kunnen alleen bewegen van een groep buitenste orbitalen die de valentieband wordt genoemd naar een andere groep orbitalen die bekend staat als de geleidingsband wanneer ze voldoende worden geëxciteerd door een energiebron, zoals een elektromagnetisch veld of de fotonen in een lichtstraal. Het oversteken van de "band gap, " de elektronen creëren een stroom van elektriciteit, dat is het principe dat computerchips en zonnecellen mogelijk maakt.

Wanneer de negatief geladen elektronen tussen orbitalen bewegen, ze laten positief geladen holtes achter die gaten worden genoemd. Een paar van een gebonden elektron en een elektronengat wordt een exciton genoemd.

In hun experimenten, Panchapakesan en zijn team, waaronder afgestudeerde studenten Vahid Rahneshin en Farhad Khosravi, evenals collega's van de Universiteit van Louisville en de Universiteit van Warschau Pasteura, waargenomen dat de atomaire orbitalen van de molybdeen- en zwavelatomen in molybdeendisulfide op een unieke manier zijn gerangschikt waardoor excitonen binnen de geleidingsband kunnen interageren met wat bekend staat als de p-orbitalen van de zwavelatomen. Deze "excitonresonantie" draagt ​​bij aan de sterke sigmabindingen die de tweedimensionale reeks atomen in molybdeensulfide zijn buitengewone sterkte geven. De kracht van deze resonantie is ook verantwoordelijk voor een uniek effect dat warmte kan genereren in het materiaal. Het is de warmte die aanleiding geeft tot de chromatische (door licht geïnduceerde) mechanische respons van het materiaal.

Om te profiteren van het latere fenomeen, Het team van Panchapakesan maakte dunne films die bestonden uit slechts één tot drie lagen molybdeendisulfide omhuld door lagen van een rubberachtig polymeer. Ze stelden deze nanocomposieten bloot aan verschillende golflengten van licht en ontdekten dat de warmte die werd gegenereerd als gevolg van de excitonresonantie ervoor zorgde dat het polymeer uitzet en samentrekt, afhankelijk van de golflengte van het gebruikte licht. In eerder werk, Het team van Panchapakesan maakte gebruik van deze fotomechanische reactie door kleine grijpers te fabriceren die openen en sluiten als reactie op lichtpulsen. De grijpers kunnen plastic kralen ter grootte van een enkele menselijke cel opvangen.

Bij verdere testen, Panchapakesan en zijn team ontdekten een ander uniek gedrag van het molybdeendisulfidecomposiet dat de deur opent naar een andere reeks toepassingen. Gebruikmakend van wat bekend staat als strain engineering, ze rekten het materiaal uit en ontdekten dat mechanische spanningen het vermogen om licht te absorberen vergrootten.

"Dit is iets dat niet kan worden gedaan met conventionele dunnefilmhalfgeleiders, " Panchapakesan zei, "want als je ze uitrekt, ze zullen voortijdig breken. Maar met zijn unieke materiaalsterkte, molybdeendisulfide kan worden uitgerekt. En de verhoogde optische absorptie onder spanning maakt het een goede kandidaat voor efficiëntere zonnecellen, fotodetectoren, en detectoren voor thermische en infraroodcamera's.

"De excitonresonantie, fotomechanische reactie, en verhoogde optische absorptie onder spanning maken dit een buitengewoon materiaal en een intrigerend onderwerp voor verder onderzoek, " hij voegde toe.