Wetenschappers van Rice University hebben een tweedimensionale legering ontdekt met een optische bandgap die kan worden afgesteld door de temperatuur die wordt gebruikt om het te laten groeien.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan kweekte de viercomponentenlegering van overgangsmetalen molybdeen en wolfraam met chalcogenen zwavel en selenium in een oven voor chemische dampafzetting. Ze ontdekten dat temperatuurveranderingen subtiele veranderingen teweegbrachten in de manier waarop atomen werden geassembleerd en ook de eigenschappen veranderden die bepalen hoe ze licht absorberen en uitstralen.

Hun experimenten waren gebaseerd op het werk van het laboratorium van Rice, theoretisch fysicus Boris Yakobson, die tientallen modellen creëerde om te voorspellen hoe verschillende combinaties van de vier elementen zouden moeten werken.

Het proces zou interessant moeten zijn voor ingenieurs die kleinere, efficiëntere apparaten. Omdat de bandgap in het optische bereik van het elektromagnetische spectrum valt, de onderzoekers zeiden dat zonnecellen en light-emitting diodes de eerste begunstigden zouden kunnen zijn.

De krant verschijnt als voorblad in het huidige nummer van Geavanceerde materialen .

Het team onder leiding van co-hoofdauteur en Rice-onderzoekswetenschapper Alex Kutana genereerde 152 willekeurige modellen van het materiaal waaruit bleek dat de bandgap kon worden afgestemd van 1,62 tot 1,84 elektronvolt door de groeitemperatuur te variëren van 650 tot 800 graden Celsius (1, 202 tegen 1, 472 graden Fahrenheit).

Het experimentele team onder leiding van Sandhya Susarla maakte en testte vervolgens de thermodynamisch stabiele materialen in een oven in stappen van 50 graden. Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Jordan Hachtel produceerden microscoopbeelden die de positie van elk atoom in de materialen identificeerden en gedetailleerd.

"Labs hebben 2D-materialen gemaakt met twee of drie componenten, maar we geloven niet dat iemand er vier heeft geprobeerd, "Zei co-auteur en Rice postdoctoraal onderzoeker Chandra Sekhar Tiwary. "Het hebben van vier componenten geeft ons een extra mate van vrijheid. Met minder materialen, elke aanpassing die je maakt om de bandgap te veranderen, verandert het in een ander materiaal. Dat is hier niet het geval."

"Wat we hebben gemaakt, zou heel nuttig moeten zijn, " voegde Susanla toe, een afgestudeerde Rice-student. "Voor toepassingen zoals zonnecellen en LED's, je hebt een materiaal nodig met een brede bandgap."

Tiwary zei dat het materiaal kan worden afgestemd om het hele spectrum van zichtbaar licht te bestrijken. golflengten van 400 tot 700 nanometer. "Dat is een enorm bereik dat we kunnen dekken door gewoon deze samenstelling te veranderen, " zei hij. "Als we de compositie correct kiezen, we kunnen de juiste bandgap of het juiste emissiepunt raken."

"Deze materialen zijn misschien wel de belangrijkste 2D-halfgeleiders vanwege hun uitstekende opto-elektronische eigenschappen en lage kosten, " zei Kutana. "Onze berekeningen met hoge doorvoer lieten ons toe om eerdere veronderstellingen te vermijden over hoe de bandgap van de legering zich gedroeg. De verrassende uitkomst was hoe regelmatig de bandgap-veranderingen waren, resulterend in optische eigenschappen die zowel bruikbaar als voorspelbaar zijn."