Het vinden van nieuwe halfgeleidermaterialen die licht uitstralen is essentieel voor de ontwikkeling van een breed scala aan elektronische apparaten. Maar het is nog aantrekkelijker om kunstmatige constructies te maken die licht uitstralen op maat van onze specifieke behoeften. Echter, lichtemissie in een halfgeleider vindt alleen plaats als aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan. Vandaag, onderzoekers van de Universiteit van Genève (UNIGE), Zwitserland, in samenwerking met de Universiteit van Manchester, hebben een hele klasse van tweedimensionale materialen ontdekt met de dikte van één of enkele atomen. Bij elkaar gecombineerd, deze atomair dunne kristallen zijn in staat structuren te vormen die aanpasbaar licht in de gewenste kleur uitstralen. Dit onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , markeert een belangrijke stap in de richting van de toekomstige industrialisatie van tweedimensionale materialen.

halfgeleidermaterialen die licht kunnen uitstralen, worden gebruikt in uiteenlopende sectoren als telecommunicatie, lichtgevende apparaten (LED's) en medische diagnostiek. Lichtemissie treedt op wanneer een elektron in de halfgeleider springt van een hoger energieniveau naar een lager niveau. Het is het verschil in energie dat de kleur van het uitgestraalde licht bepaalt. Om licht te produceren, de snelheid van het elektron voor en na de sprong moet precies hetzelfde zijn, een toestand die afhangt van het specifieke beschouwde halfgeleidende materiaal. Slechts enkele halfgeleiders kunnen worden gebruikt voor lichtemissie:bijvoorbeeld silicium - dat wordt gebruikt om onze computers te maken - kan niet worden gebruikt voor het maken van LED's.

"We vroegen ons af of je met tweedimensionale materialen structuren kunt maken die licht uitstralen met de gewenste kleur, " legt Alberto Morpurgo uit, een professor in de afdeling Quantum Matter Physics, aan de UNIGE Faculteit Wetenschappen. Tweedimensionale materialen zijn perfecte kristallen die, zoals grafeen, zijn één of enkele atomen dik. Dankzij recente technische vooruitgang, verschillende tweedimensionale materialen kunnen op elkaar worden gestapeld om kunstmatige structuren te vormen die zich gedragen als halfgeleiders. Het voordeel van deze "kunstmatige halfgeleiders" is dat de energieniveaus kunnen worden gecontroleerd door de chemische samenstelling en dikte van de materialen waaruit de structuur bestaat te selecteren.

"Kunstmatige halfgeleiders van dit soort werden pas twee of drie jaar geleden voor het eerst gemaakt, " legt Nicolas Ubrig uit, een onderzoeker in het team onder leiding van professor Morpurgo. "Als de tweedimensionale materialen exact dezelfde structuur hebben en hun kristallen perfect uitgelijnd zijn, dit type kunstmatige halfgeleider kan licht uitstralen. Maar het is zeer zeldzaam." Deze voorwaarden zijn zo streng dat ze weinig vrijheid laten om het uitgestraalde licht te regelen.

Aangepast licht

"Ons doel was om verschillende tweedimensionale materialen te combineren om licht uit te stralen zonder alle beperkingen, " vervolgt professor Morpurgo. De natuurkundigen dachten dat, als ze een materiaalklasse konden vinden waar de snelheid van de elektronen voor en na de verandering in energieniveau nul was, het zou een ideaal scenario zijn dat altijd zou voldoen aan de voorwaarden voor lichtemissie, ongeacht de details van de kristalroosters en hun relatieve oriëntatie.

Een groot aantal bekende tweedimensionale halfgeleiders heeft een elektronennulsnelheid in de betreffende energieniveaus. Dankzij deze diversiteit aan verbindingen, veel verschillende materialen kunnen worden gecombineerd, en elke combinatie is een nieuwe kunstmatige halfgeleider die licht van een specifieke kleur uitstraalt. “Toen we het idee hadden, het was gemakkelijk om de materialen te vinden om het te implementeren, ", voegt professor Vladimir Fal'ko van de Universiteit van Manchester toe. Materialen die in het onderzoek werden gebruikt, waren onder meer verschillende overgangsmetaaldichalcogeniden (zoals MoS2, MoSe2 en WS2) en InSe. Andere mogelijke materialen zijn geïdentificeerd en zullen nuttig zijn voor het verbreden van het kleurengamma van het licht dat door deze nieuwe kunstmatige halfgeleiders wordt uitgezonden.

Op maat gemaakt licht voor massale industrialisatie

"Het grote voordeel van deze 2D-materialen, dankzij het feit dat er geen randvoorwaarden meer zijn voor de emissie van licht, is dat ze nieuwe strategieën bieden om het licht naar eigen inzicht te manipuleren, met de energie en kleur die we willen hebben, " vervolgt Ubrig. Dit betekent dat het mogelijk is om toekomstige toepassingen op industrieel niveau te bedenken, omdat het uitgestraalde licht robuust is en je je geen zorgen meer hoeft te maken over de uitlijning van atomen.