Het vermogen van metalen of halfgeleidende materialen om te absorberen, licht reflecteren en erop reageren is van primair belang voor wetenschappers die opto-elektronica ontwikkelen:elektronische apparaten die met licht interageren om taken uit te voeren. Wetenschappers van Rice University hebben nu een methode ontwikkeld om de eigenschappen te bepalen van atoomdunne materialen die beloven de modulatie en manipulatie van licht te verfijnen.

Tweedimensionale materialen zijn een populair onderzoeksonderwerp sinds grafeen, een plat rooster van koolstofatomen, werd in 2001 geïdentificeerd. Sindsdien wetenschappers hebben gehaast om te ontwikkelen, in theorie of in het lab, nieuwe 2D-materialen met een scala aan optische, elektronische en fysieke eigenschappen.

Tot nu, ze hebben geen uitgebreide gids voor de optische eigenschappen die deze materialen bieden als ultradunne reflectoren, zenders of absorbers.

Het Rice-lab van materiaaltheoreticus Boris Yakobson ging de uitdaging aan. Yakobson en zijn co-auteurs, afgestudeerde student en hoofdauteur Sunny Gupta, postdoctoraal onderzoeker Sharmila Shirodkar en onderzoekswetenschapper Alex Kutana, gebruikte state-of-the-art theoretische methoden om de maximale optische eigenschappen van 55 2-D materialen te berekenen.

"Het belangrijkste nu we het protocol begrijpen, is dat we het kunnen gebruiken om elk 2D-materiaal te analyseren, " zei Gupta. "Dit is een grote rekeninspanning, maar nu is het mogelijk om elk materiaal op een dieper kwantitatief niveau te evalueren."

Hun werk, die deze maand verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano , beschrijft de transmissie van de monolagen, absorptie en reflectie, eigenschappen die ze gezamenlijk TAR noemden. Op nanoschaal is licht kan op unieke manieren interageren met materialen, die elektron-foton-interacties veroorzaken of plasmonen triggeren die licht absorberen op de ene frequentie en het uitzenden in een andere.

Door 2D-materialen te manipuleren, kunnen onderzoekers steeds kleinere apparaten ontwerpen, zoals sensoren of lichtgestuurde circuits. Maar eerst helpt het om te weten hoe gevoelig een materiaal is voor een bepaalde golflengte van licht, van infrarood tot zichtbare kleuren tot ultraviolet.

"Over het algemeen, de algemene wijsheid is dat 2D-materialen zo dun zijn dat ze in wezen transparant zouden moeten lijken, met verwaarloosbare reflectie en absorptie, " zei Yakobson. "Verrassend genoeg, we ontdekten dat elk materiaal een expressieve optische signatuur heeft, waarbij een groot deel van het licht van een bepaalde kleur (golflengte) wordt geabsorbeerd of gereflecteerd."

De co-auteurs verwachten dat fotodetecterende en modulerende apparaten en polarisatiefilters mogelijke toepassingen zijn voor 2D-materialen met richtingsafhankelijke optische eigenschappen. "Meerlaagse coatings kunnen een goede bescherming bieden tegen straling of licht, zoals van lasers, ' zei Shirodkar. 'In het laatste geval, heterogestructureerde (meerlagige) films - coatings van complementaire materialen - kunnen nodig zijn. Grotere lichtintensiteiten kunnen niet-lineaire effecten veroorzaken, en de boekhouding daarvan zal zeker verder onderzoek vergen."

De onderzoekers modelleerden zowel 2-D-stapels als enkele lagen. "Stacks kunnen het spectrum verbreden of nieuwe functionaliteit opleveren, zoals polarisatoren, "Zei Kutana. "We kunnen nadenken over het gebruik van gestapelde heterostructuurpatronen om informatie op te slaan of zelfs voor cryptografie."

Onder hun resultaten, de onderzoekers bevestigden dat stapels grafeen en borofeen sterk reflecterend zijn voor midden-infrarood licht. Hun meest opvallende ontdekking was dat een materiaal gemaakt van meer dan 100 enkelatoomlagen boor - dat nog steeds slechts ongeveer 40 nanometer dik zou zijn - meer dan 99 procent van het licht van infrarood naar ultraviolet zou reflecteren, beter presteren dan gedoteerd grafeen en bulk zilver.

Er is ook een bijkomend voordeel dat past bij Yakobsons artistieke gevoeligheid. "Nu we de optische eigenschappen van al deze materialen kennen - de kleuren die ze reflecteren en doorlaten wanneer ze met licht worden geraakt - kunnen we nadenken over het maken van glas-in-loodramen in Tiffany-stijl op nanoschaal, "zei hij. "Dat zou fantastisch zijn!"