Door verschillende tweedimensionale materialen in lagen aan te brengen, natuurkundigen van de Universiteit van Basel hebben een nieuwe structuur gecreëerd met het vermogen om bijna al het licht van een geselecteerde golflengte te absorberen. De prestatie berust op een dubbele laag molybdeendisulfide. De bijzondere eigenschappen van de nieuwe structuur maken het een kandidaat voor toepassingen in optische componenten of als bron van individuele fotonen, die een sleutelrol spelen in kwantumonderzoek. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Nieuwe tweedimensionale materialen zijn momenteel een populair onderzoeksonderwerp over de hele wereld. Van bijzonder belang zijn van der Waals heterostructuren, die zijn opgebouwd uit afzonderlijke lagen van verschillende materialen die bij elkaar worden gehouden door van der Waals-krachten. De interacties tussen de verschillende lagen kunnen het resulterende materiaal geheel nieuwe eigenschappen geven.

Dubbellaags ontgrendelt cruciale eigenschappen

Er zijn al van der Waals heterostructuren die tot 100 procent van het licht absorberen. Enkele lagen molybdeendisulfide bieden absorptiecapaciteiten in dit bereik. Wanneer licht wordt geabsorbeerd, een elektron verlaat zijn oorspronkelijke positie in de valentieband, een positief geladen gat achterlatend. Het elektron gaat naar een hoger energieniveau, bekend als de geleidingsband, waar het vrij kan bewegen.

Het resulterende gat en het elektron worden door elkaar aangetrokken volgens de wet van Coulomb, waardoor gebonden elektron-gatparen ontstaan ​​die stabiel blijven bij kamertemperatuur. Echter, met enkellaags molybdeendisulfide is er geen manier om te controleren welke lichtgolflengten worden geabsorbeerd. "Pas wanneer een tweede laag molybdeendisulfide wordt toegevoegd, krijgen we afstembaarheid, een essentiële eigenschap voor toepassingsdoeleinden, ", legt professor Richard Warburton van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute uit.

Absorptie en afstembaarheid

In nauwe samenwerking met onderzoekers in Frankrijk, Warburton en zijn team zijn erin geslaagd een dergelijke structuur te creëren. De natuurkundigen gebruikten een dubbele laag molybdeendisulfide tussen een isolator en de elektrische geleider grafeen aan elke kant.

"Als we een spanning toepassen op de buitenste grafeenlagen, dit genereert een elektrisch veld dat de absorptie-eigenschappen van de twee molybdeendisulfidelagen beïnvloedt, " legt Nadine Leisgang uit, een promovendus in het team van Warburton en hoofdauteur van de studie. "Door de toegepaste spanning aan te passen, we kunnen de golflengten selecteren waarop de elektron-gatparen in deze lagen worden gevormd."

Richard Warburton voegt toe, "Dit onderzoek zou de weg kunnen banen voor een nieuwe benadering voor de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten zoals modulatoren." Modulators worden gebruikt om de amplitude van een signaal selectief te wijzigen. Een andere mogelijke toepassing is het genereren van individuele fotonen, met belangrijke implicaties voor kwantumtechnologie.