Huidige elektronische componenten in computers, mobiele telefoons en vele andere apparaten zijn gebaseerd op microgestructureerde siliciumdragers. Echter, deze technologie heeft bijna zijn fysieke grenzen bereikt en de kleinst mogelijke structuurafmetingen.

Tweedimensionale (2-D) materialen worden daarom intensief onderzocht. Je kunt deze materialen voorstellen als extreem dunne films die uit slechts één laag atomen bestaan. De bekendste is grafeen, een atomair dunne laag grafiet. Voor zijn ontdekking, Andre Geim en Konstantin Novoselov ontvingen in 2010 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Terwijl grafeen puur uit koolstof bestaat, er zijn tal van andere 2D-verbindingen die worden gekenmerkt door speciale optische en elektronische eigenschappen. Talloze mogelijke toepassingen van deze verbindingen worden momenteel onderzocht, bijvoorbeeld voor gebruik in zonnecellen, in micro- en opto-elektronica, in composietmaterialen, katalyse, in verschillende soorten sensoren en lichtdetectoren, bij biomedische beeldvorming of bij het transport van geneesmiddelen in het organisme.

Lichtenergie kan 2D-materialen laten trillen

Voor de functie van deze 2-D verbindingen, men exploiteert hun speciale eigenschappen. "Het is belangrijk om te weten hoe ze reageren op excitatie met licht, " zegt professor Tobias Brixner, hoofd van de leerstoel Fysische Chemie I aan de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland.

In principe, 2D-materialen worden net als gewone siliciumzonnecellen elektronisch aangeslagen wanneer er voldoende lichtenergie op valt. Echter, de energie kan ervoor zorgen dat de atomair dunne laag tegelijkertijd gaat trillen. Dit beïnvloedt op zijn beurt de opto-elektronische eigenschappen.

De sterkte van de exciton-fononkoppeling is moeilijk te bepalen

Tot nu, het was niet bekend hoe sterk licht dergelijke trillingen opwekt in een 2D-materiaal bij kamertemperatuur. Nutsvoorzieningen, in een internationale samenwerking, een team onder leiding van Tobias Brixner is er voor het eerst in geslaagd de sterkte van de oscillatie-excitatie bij lichtabsorptie in een 2D-materiaal - namelijk in een "overgangsmetaaldichalcogenide" - bij kamertemperatuur te bepalen.

"Deze hoeveelheid, in vakjargon bekend als exciton-fonon koppelingssterkte, is moeilijk te bepalen omdat bij kamertemperatuur het absorptiespectrum erg wordt 'uitgesmeerd' en er geen individuele spectraallijnen kunnen worden gescheiden, " zegt de JMU-fysicus en fysisch chemicus.

Postdoc ontwikkelde coherente 2D-microscopie

Nutsvoorzieningen, echter, postdoctoraal onderzoeker dr. Donghai Li in Würzburg heeft de methode van "coherente 2-D microscopie" ontwikkeld. Het combineert de ruimtelijke resolutie van een microscoop met de femtoseconde tijdresolutie van ultrakorte laserpulsen en met de multidimensionale frequentieresolutie. Hierdoor kon Li de invloed van de oscillaties kwantificeren.

Brixner legt uit:"Verrassend genoeg het bleek dat de exciton-fonon koppelingssterkte in het onderzochte materiaal veel groter is dan in conventionele halfgeleiders. Deze bevinding is nuttig bij de verdere ontwikkeling van 2D-materialen voor specifieke toepassingen."