Een nieuwe studie door een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Minnesota benadrukt hoe manipulatie van 2D-materialen onze moderne apparaten sneller zou kunnen maken, kleiner, en beter.

De bevindingen staan ​​nu online en worden gepubliceerd in Natuurmaterialen , een toonaangevend wetenschappelijk tijdschrift voor materiaalwetenschap en technisch onderzoek.

Tweedimensionale materialen zijn een klasse van nanomaterialen die slechts enkele atomen dik zijn. Elektronen in deze materialen kunnen vrij bewegen in het tweedimensionale vlak, maar hun beperkte beweging in de derde richting wordt bepaald door de kwantummechanica. Onderzoek naar deze nanomaterialen staat nog in de kinderschoenen, maar 2D-materialen zoals grafeen, overgangsmetaal dichalcogeniden en zwarte fosfor hebben enorme aandacht gekregen van wetenschappers en ingenieurs vanwege hun verbazingwekkende eigenschappen en potentieel om elektronische en fotonische apparaten te verbeteren.

In dit onderzoek, onderzoekers van de Universiteit van Minnesota, MIT, Stanford, U.S. Naval Research Laboratory, IBM, en universiteiten in Brazilië, VK en Spanje, werkten samen om de optische eigenschappen van enkele tientallen 2D-materialen te onderzoeken. Het doel van het artikel is om het begrip van licht-materie-interacties in deze materialen onder onderzoekers te verenigen en nieuwe mogelijkheden voor toekomstig onderzoek te verkennen.

Ze bespreken hoe polariteiten, een klasse van quasideeltjes gevormd door de koppeling van fotonen met elektrische ladingsdipolen in vaste, stellen onderzoekers in staat om de snelheid van fotonlichtdeeltjes en de kleine grootte van elektronen te combineren.

"Met onze apparaten we willen snelheid, efficiëntie, en we willen klein. Polaritos zou het antwoord kunnen bieden, " zei Tony Low, een assistent-professor in elektrotechniek en computertechniek van de Universiteit van Minnesota en hoofdauteur van de studie.

Door de polaritonen in 2D-materialen te prikkelen, elektromagnetische energie kan worden geconcentreerd tot een volume dat een miljoen keer kleiner is dan wanneer het zich in de vrije ruimte voortplant.

"Gelaagde tweedimensionale materialen zijn naar voren gekomen als een fantastische gereedschapskist voor nano-fotonica en nano-opto-elektronica, het bieden van op maat gemaakt ontwerp en afstembaarheid voor eigenschappen die niet mogelijk zijn met conventionele materialen, zei Frank Koppens, groepsleider bij het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Barcelona, Spanje, en co-auteur van de studie. "Dit biedt enorme mogelijkheden voor toepassingen."

Anderen in het team uit de particuliere sector erkennen ook het potentieel in praktische toepassingen.

"De studie van de plasmon-polaritonen in twee dimensies is niet alleen een fascinerend onderzoeksonderwerp, maar biedt ook mogelijkheden voor belangrijke technologische toepassingen, " zei Phaedon Avoruris, IBM Fellow bij het IBM T. J. Watson Research Center en co-auteur van de studie. "Bijvoorbeeld, een atomair laagmateriaal zoals grafeen breidt het veld van plasmonica uit naar de infrarood- en terahertz-gebieden van het elektromagnetische spectrum, waardoor unieke toepassingen mogelijk zijn, variërend van het detecteren en vingerafdrukken van kleine hoeveelheden biomoleculen, tot toepassingen in optische communicatie, energie oogsten en veiligheidsbeeldvorming."

De nieuwe studie onderzocht ook de mogelijkheden om 2D-materialen te combineren. Onderzoekers wijzen erop dat elk 2D-materiaal voor- en nadelen heeft. Door deze materialen te combineren ontstaan ​​nieuwe materialen die misschien wel de beste eigenschappen van beide hebben.

"Elke keer als we naar een nieuw materiaal kijken, we vinden iets nieuws, "Low zei. "Grafeen wordt vaak beschouwd als een 'wonder'-materiaal, maar door het te combineren met een ander materiaal kan het nog beter zijn voor een breed scala aan toepassingen."

Om het volledige onderzoeksartikel te lezen, getiteld "Polaritonen in gelaagde tweedimensionale materialen, " bezoek de Natuurmaterialen website.