Wat als een sensor die iets waarneemt, deel zou kunnen uitmaken van het ding zelf? Ingenieurs van Rice University denken dat ze daarvoor een tweedimensionale oplossing hebben.

Rijstingenieurs onder leiding van materiaalwetenschappers Pulickel Ajayan en Jun Lou hebben een methode ontwikkeld om atomaire sensoren te maken die naadloos integreren met apparaten om te rapporteren over wat ze waarnemen.

Elektronisch actieve 2D-materialen zijn het onderwerp geweest van veel onderzoek sinds de introductie van grafeen in 2004. Hoewel ze vaak worden aangeprezen om hun sterkte, ze zijn moeilijk te verplaatsen naar waar ze nodig zijn zonder ze te vernietigen.

De groepen Ajayan en Lou, samen met het laboratorium van Rice-ingenieur Jacob Robinson, een nieuwe manier hebben om de materialen en de bijbehorende circuits te bewaren, inclusief elektroden, intact als ze worden verplaatst naar gebogen of andere gladde oppervlakken.

De resultaten van hun werk verschijnen in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Het Rice-team testte het concept door een 10 nanometer dikke indiumselenide-fotodetector met gouden elektroden te maken en deze op een optische vezel te plaatsen. Omdat het zo dichtbij was, de near-field-sensor is effectief gekoppeld aan een verdwijnend veld - de oscillerende elektromagnetische golf die over het oppervlak van de vezel rijdt - en detecteerde nauwkeurig de informatiestroom binnenin.

Het voordeel is dat deze sensoren nu kunnen worden ingebed in dergelijke vezels, waar ze de prestaties kunnen controleren zonder gewicht toe te voegen of de signaalstroom te belemmeren.

"Dit artikel stelt verschillende interessante mogelijkheden voor om 2D-apparaten in echte toepassingen toe te passen, " zei Lou. "Bijvoorbeeld, optische vezels op de bodem van de oceaan zijn duizenden kilometers lang, en als er een probleem is, het is moeilijk om te weten waar het is gebeurd. Als u deze sensoren op verschillende locaties heeft, je kunt de schade aan de vezel voelen."

Lou zei dat laboratoria goed zijn geworden in het overbrengen van het groeiende aantal 2D-materialen van het ene oppervlak naar het andere, maar de toevoeging van elektroden en andere componenten bemoeilijkt het proces. "Denk aan een transistor, "zei hij. "Het heeft een bron, afvoer- en poortelektroden en een diëlektricum (isolator) bovenop, en deze moeten allemaal intact worden overgedragen. Dat is een hele grote uitdaging, omdat al die materialen anders zijn."

Ruwe 2-D materialen worden vaak verplaatst met een laag polymethylmethacrylaat (PMMA), beter bekend als plexiglas, bovenop, en de Rice-onderzoekers maken gebruik van die techniek. Maar ze hadden een robuuste onderlaag nodig die niet alleen het circuit intact zou houden tijdens de verplaatsing, maar ook kon worden verwijderd voordat het apparaat aan zijn doelwit werd bevestigd. (De PMMA wordt ook verwijderd wanneer het circuit zijn bestemming bereikt.)

De ideale oplossing was polydimethylglutarimide (PMGI), dat kan worden gebruikt als een fabricageplatform voor apparaten en gemakkelijk kan worden weggeëtst voordat het naar het doel wordt overgebracht. "We hebben geruime tijd besteed aan het ontwikkelen van deze opofferingslaag, " zei Lou. PMGI lijkt te werken voor elk 2D-materiaal, aangezien de onderzoekers ook succesvol experimenteerden met molybdeendiselenide en andere materialen.

De Rice-labs hebben tot nu toe alleen passieve sensoren ontwikkeld, maar de onderzoekers denken dat hun techniek actieve sensoren of apparaten voor telecommunicatie mogelijk zal maken, biodetectie, plasmonica en andere toepassingen.