In 2010, de Nobelprijs voor de Natuurkunde ging naar de ontdekkers van grafeen. Een enkele laag koolstofatomen, grafeen bezit eigenschappen die ideaal zijn voor tal van toepassingen. Onder onderzoekers, grafeen is al tien jaar het heetste materiaal. Alleen al in 2017 meer dan 30, 000 onderzoekspapers over grafeen werden wereldwijd gepubliceerd.

Nutsvoorzieningen, twee onderzoekers van de Universiteit van Kansas, Professor Hui Zhao en afgestudeerde student Samuel Lane, beide van het departement Natuur- en Sterrenkunde, hebben een grafeenlaag verbonden met twee andere atoomlagen (molybdeendiselenide en wolfraamdisulfide), waardoor de levensduur van geëxciteerde elektronen in grafeen honderden keren is verlengd. De bevinding zal worden gepubliceerd op Nano Futures, een nieuw gelanceerd en zeer selectief tijdschrift.

Het werk aan de KU kan de ontwikkeling van ultradunne en flexibele zonnecellen met een hoog rendement versnellen.

Voor elektronische en opto-elektronische toepassingen, grafeen heeft uitstekende ladingstransporteigenschappen. Volgens de onderzoekers is elektronen bewegen in grafeen met een snelheid van 1/30 van de lichtsnelheid - veel sneller dan andere materialen. Dit zou erop kunnen wijzen dat grafeen kan worden gebruikt voor zonnecellen, die energie van zonlicht omzetten in elektriciteit. Maar grafeen heeft een groot nadeel dat dergelijke toepassingen belemmert - de ultrakorte levensduur van geëxciteerde elektronen (dat wil zeggen, de tijd dat een elektron mobiel blijft) van slechts ongeveer één picoseconde (een miljoenste van een miljoenste van een seconde, of 10 ^-12 tweede).

"Deze opgewonden elektronen zijn als studenten die opstaan ​​uit hun stoel - na een energiedrankje, bijvoorbeeld, die studenten activeert zoals zonlicht elektronen activeert, "Zei Zhao. "De energieke studenten bewegen vrij in het klaslokaal - als menselijke elektrische stroom."

De KU-onderzoeker zei dat een van de grootste uitdagingen voor het bereiken van een hoog rendement in zonnecellen met grafeen als werkmateriaal is dat elektronen vrijkomen - of, de staande studenten - hebben een sterke neiging om hun energie te verliezen en immobiel te worden, zoals studenten die weer gaan zitten.

"Het aantal elektronen, of studenten van ons voorbeeld, wie kan bijdragen aan de stroom wordt bepaald door de gemiddelde tijd dat ze mobiel kunnen blijven nadat ze door het licht zijn bevrijd, "Zei Zhao. "In grafeen, een elektron blijft slechts één picoseconde vrij. Dit is te kort om een ​​groot aantal mobiele elektronen te accumuleren. Dit is een intrinsieke eigenschap van grafeen en is een grote beperkende factor geweest voor de toepassing van dit materiaal in fotovoltaïsche of fotogevoelige apparaten. Met andere woorden, hoewel elektronen in grafeen mobiel kunnen worden door lichtexcitatie en snel kunnen bewegen, ze blijven alleen te kort mobiel om bij te dragen aan elektriciteit."

In hun nieuwe krant Zhao en Lane melden dat dit probleem kan worden opgelost door gebruik te maken van de zogenaamde van der Waals-materialen. Het principe van hun aanpak is vrij eenvoudig te begrijpen.

"We hebben in feite de stoelen weggehaald van de staande studenten, zodat ze nergens kunnen zitten, "Zei Zhao. "Dit dwingt de elektronen om mobiel te blijven voor een tijd die honderden keren langer is dan voorheen."

Om dit doel te bereiken, werkzaam in het Ultrafast Laser Lab van de KU, ze ontwierpen een drielaags materiaal door enkele lagen MoSe . aan te brengen ₂ , WS ₂ en grafeen op elkaar.

"We kunnen denken aan de MoSe ₂ en grafeenlagen als twee klaslokalen vol studenten die allemaal zitten, terwijl de middelste WS ₂ laag fungeert als een gang die de twee kamers scheidt, "Zei Zhao. "Als er licht op het monster valt, sommige elektronen in MoSe2 komen vrij. Ze mogen over de WS2-laagse gang gaan om de andere kamer te betreden, dat is grafeen. Echter, de gang is zorgvuldig ontworpen zodat de elektronen hun stoel in MoSe . moeten verlaten ₂ . Eenmaal in grafeen, ze hebben geen andere keuze dan mobiel te blijven en zo bij te dragen aan elektrische stromen, omdat hun stoelen niet meer voor hen beschikbaar zijn."

Om aan te tonen dat het idee werkt, gebruikten de KU-onderzoekers een ultrakorte laserpuls (0,1 picoseconde) om een ​​deel van de elektronen in MoSe vrij te maken ₂ . Door een andere ultrakorte laserpuls te gebruiken, ze waren in staat om deze elektronen te volgen terwijl ze naar grafeen gaan. Ze ontdekten dat deze elektronen gemiddeld in ongeveer 0,5 picoseconde door de "gang" bewegen. Ze blijven dan ongeveer 400 picoseconden mobiel - een 400-voudige verbetering dan een enkele laag grafeen, die ze ook in hetzelfde onderzoek hebben gemeten.

De onderzoekers bevestigen ook "zetels" links in MoSe ₂ ook voor dezelfde tijd onbezet blijven. In de klassieke wereld deze stoelen zouden voor altijd leeg moeten blijven. In de kwantummechanica, echter, de elektronen "tunnelen" terug naar deze stoelen. De onderzoekers stellen voor dat dit proces de levensduur van de mobiele elektronen bepaalt. Dus, door verschillende "gang"-lagen te kiezen, deze tijd kan voor verschillende toepassingen worden geregeld.