Een omslagverhaal dat in het peer-reviewed tijdschrift verschijnt Horizonten op nanoschaal meldt een nieuw dubbellaags materiaal, waarbij elke laag minder dan één nanometer dik is, dat ooit zou kunnen leiden tot een efficiëntere en veelzijdigere lichtemissie.

Onderzoekers van het Ultrafast Laser Lab aan de Universiteit van Kansas hebben het materiaal met succes gemaakt door atomair dunne lagen molybdeendisulfide en rheniumdisulfide te combineren.

"Beide absorberen licht heel goed als halfgeleiders, en ze zijn allebei erg flexibel, kunnen worden uitgerekt of samengedrukt, " zei Hui Zhao, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde aan de KU, die co-auteur van het artikel was. "Het doel van deze hele onderzoeksrichting is om lichtgevende apparaten te produceren, zoals led's die ultradun zijn - slechts een paar nanometer dik - en flexibel genoeg om te buigen. We lieten door dit dubbellaags materiaal zien, het kan worden bereikt."

Om de doorbraak te verklaren, Zhao vergelijkt het gedrag van elektronen in het nieuwe materiaal met een klaslokaal.

"Men kan een materiaal zien als een klaslokaal vol studenten - dat zijn de elektronen - één op elke stoel, "zei hij. "Zittend op een stoel, een student - of elektron - kan niet vrij bewegen om elektriciteit te geleiden. Licht kan voldoende energie leveren om sommige leerlingen overeind te houden, die zich nu vrij kan bewegen en, als elektronen, elektriciteit te geleiden. Dit proces is de basis voor fotovoltaïsche apparaten, waar de energie van zonlicht wordt opgevangen en omgezet in elektriciteit."

De KU-onderzoeker zei dat emissie van licht het omgekeerde proces inhoudt, waarin een staand elektron op een stoel gaat zitten, het vrijgeven van zijn kinetische energie in de vorm van licht.

"Om een ​​goed materiaal te maken voor lichtemissieapparatuur, men heeft niet alleen de elektronen nodig die energie dragen, maar ook de 'zetels' - gaten genoemd - waar de elektronen kunnen gaan zitten, " hij zei.

Eerdere onderzoeken door verschillende groepen, inclusief Zhao's, hebben verschillende dubbellaagse materialen geproduceerd door verschillende soorten atoomplaten te stapelen. Echter, in deze materialen, de elektronen en de "zetels" bestaan ​​in verschillende atomaire lagen.

"Omdat elektronen niet gemakkelijk plaatsen kunnen vinden, lichtemissie-efficiëntie van deze dubbellaagse materialen is erg laag - meer dan 100 keer lager dan in één atomaire laag, " hij zei.

Maar in het nieuwe materiaal dat Zhao en zijn co-auteurs hebben aangekondigd, "Alle elektronen en hun zetels zullen in hun oorspronkelijke laag zijn, in plaats van apart. De lichtemissie zal een stuk sterker zijn."

Zhao en collega-onderzoekers Matthew Bellus, Samuël Laan, Frank Ceballos en Qiannan Cui, alle afstudeerders natuurkunde van de KU, en Ming Li en Xiao Cheng Zeng van de Universiteit van Nebraska-Lincoln creëerden het nieuwe materiaal met behulp van dezelfde low-tech "Scotch tape"-methode als pionier bij het maken van grafeen, het enkel-atomaire laagmateriaal dat zijn makers in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde opleverde.

"Er is een truc, "Zei Zhao. "Je gebruikt plakband om een ​​laag van het kristal af te pellen en dan vouw je het plakband een paar keer, dus als je de tape tegen een ondergrond duwt en hem snel afpelt, een deel van het materiaal blijft op de ondergrond achter. Onder een microscoop, secties met één atoomlaag zullen vanwege hun dikte een andere kleur hebben - net als een dunne film van olie op water."

De onderzoekers van het Ultrafast Laser Lab van de KU, onder leiding van Bellus, de eerste auteur van het artikel, vervolgens de meest uitdagende stap volbracht:de MoS2-laag op ReS2 stapelen, met een precisie beter dan een micrometer. De atomair dunne platen waren verbonden door de zogenaamde van der Waalskracht, dezelfde kracht waarmee een gekko een gladde ruit kan beklimmen. "De Van der Waals-kracht is niet erg gevoelig voor de atomaire rangschikking, "zei Zhao. "Dus, men kan deze atoomplaten gebruiken om meerlagige materialen te vormen, op een manier zoals atomaire Legos."

Nadat de monsters waren gemaakt, teamleden gebruikten ultrasnelle lasers om de beweging van elektronen en zetels tussen de twee atomaire lagen te observeren, en ze zagen duidelijk bewijs dat zowel elektronen als de stoelen van MoS2 naar ReS2 kunnen gaan. maar niet in de tegenovergestelde richting.

Daarbij, het team bevestigde theoretische berekeningen uitgevoerd door Li en Zeng, die eerder verwante eigenschappen van ongeveer een dozijn atoomplaten had geanalyseerd, en voorspelde dat dubbellagen gevormd door MoS2 en ReS2 veelbelovend zouden zijn als basis voor LED-technologie.

Volgens Zhao, het uiteindelijke doel is om een ​​methode te ontwikkelen waarmee de locatie van elektronen en zetels tussen verschillende atomaire lagen nauwkeurig kan worden gecontroleerd, zodat de elektronische en optische eigenschappen van het materiaal kunnen worden gecontroleerd en geoptimaliseerd.

"Op een dag zouden we LED's willen zien die dunner zijn, energiezuiniger en buigzaam, "zei hij. "Denk aan een computer- of telefoonscherm als je het een paar keer zou kunnen opvouwen of in je zak stoppen."