In het afgelopen decennium, tweedimensionaal, 2-D, materialen hebben de fascinatie van een gestaag toenemend aantal wetenschappers gevangen. Deze materialen, waarvan het bepalende kenmerk een dikte van slechts één tot zeer weinig atomen is, kan worden gemaakt van een verscheidenheid aan verschillende elementen of combinaties daarvan. De betovering van wetenschappers met 2D-materialen begon met het Nobelprijswinnende experiment van Andre Geim en Konstantin Novoselov:het creëren van een 2D-materiaal met behulp van een klomp grafiet en gewoon plakband. Dit ingenieus eenvoudige experiment leverde een ongelooflijk materiaal op:grafeen. Dit ultralichte materiaal is ongeveer 200 keer sterker dan staal en is een uitstekende geleider. Toen wetenschappers eenmaal ontdekten dat grafeen indrukwekkendere eigenschappen had dan zijn bulkcomponent grafiet, ze besloten om andere 2D-materialen te onderzoeken om te zien of dit een universele eigenschap was.

Christoffel Petoukhoff, een afgestudeerde student aan de Rutgers University die werkt in de Femtosecond Spectroscopy Unit aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), bestudeert een 2D-materiaal, gemaakt van molybdeendisulfide (MoS2). Zijn onderzoek richt zich op de opto-elektronische toepassingen van het 2D-materiaal, of hoe het materiaal licht kan detecteren en absorberen. Opto-elektronica is alomtegenwoordig in de wereld van vandaag, van de fotodetectoren in automatische deuren en handdrogers, naar zonnecellen, naar led-verlichting, maar zoals iedereen die voor een automatische gootsteen heeft gestaan, wanhopig met zijn handen zwaaiend om het aan het werk te krijgen, je zal vertellen:er is genoeg ruimte voor verbetering. De 2-D MoS2 is met name interessant voor gebruik in fotodetectoren vanwege het vermogen om dezelfde hoeveelheid licht te absorberen als 50 nm van de momenteel gebruikte op silicium gebaseerde technologieën, terwijl het 70 keer dunner is.

Petoukhoff, onder toezicht van professor Keshav Dani, streeft naar verbetering van opto-elektronische apparaten door een 2D-laag van MoS2 toe te voegen aan een organische halfgeleider, die vergelijkbare absorptiesterkten heeft als MoS2. De theorie achter het gebruik van beide materialen is dat de interactie tussen de MoS2-laag en de organische halfgeleider moet leiden tot een efficiënte ladingsoverdracht. Petoukhoffs onderzoek, gepubliceerd in ACS Nano , toont voor het eerst aan dat ladingsoverdracht tussen deze twee lagen op een ultrasnelle tijdschaal plaatsvindt, in de orde van minder dan 100 femtoseconden, of een tiende van een miljoenste van een miljoenste van een seconde.

De dunheid van deze materialen, echter, wordt een beperkende factor in hun efficiëntie als fotovoltaïsche, of licht-energie conversie apparaten. Lichtabsorberende apparaten, zoals zonnecellen en fotodetectoren, een bepaalde hoeveelheid optische dikte nodig hebben om fotonen te absorberen, in plaats van ze door te laten. Om dit te overwinnen, onderzoekers van de Femtosecond Spectroscopy Unit voegden een reeks zilveren nanodeeltjes toe, of een plasmonisch meta-oppervlak, naar de organische halfgeleider-MoS2-hybride om het licht in het apparaat te focussen en te lokaliseren. De toevoeging van het meta-oppervlak vergroot de optische dikte van het materiaal en profiteert tegelijkertijd van de unieke eigenschappen van de ultradunne actieve laag, die uiteindelijk de totale absorptie verhogen.

Hoewel dit onderzoek nog in de kinderschoenen staat, de gevolgen voor de toekomst zijn enorm. Combinaties met 2D-materialen kunnen een revolutie teweegbrengen in de verkoopbaarheid van opto-elektronische apparaten. Conventionele opto-elektronische apparaten zijn duur om te vervaardigen en zijn vaak gemaakt van schaarse of giftige elementen, zoals indium of arseen. Organische halfgeleiders hebben lage productiekosten, en zijn gemaakt van aarde-overvloedige en niet-giftige elementen. This research can potentially improve the cost and efficiency of optoelectronics, leading to better products in the future.