Grafeen is een materiaal gemaakt van koolstofatomen een laag dik, gerangschikt in een honingraatstructuur. Het is gebruikt om materialen sterker te maken, ultrahoge frequentiecomponenten maken voor communicatie, batterijprestaties verbeteren en zelfs worden gebruikt om COVID-19-tests uit te voeren. Het is het archetypische tweedimensionale (2D) materiaal, maar 2D-materialen zijn veel meer dan grafeen.

Sinds grafeen voor het eerst werd geïsoleerd in 2004, onderzoek is uitgebreid tot het creëren van andere, niet-koolstof 2D-materialen. Nu zijn er vele tientallen van deze, en ze worden geprezen om een ​​impact te maken waar grafeen minder geschikt is, zoals in nieuwe transistors en opto-elektronische apparaten van de volgende generatie, die genereren, licht detecteren en regelen.

Onze recente studie richtte zich op een nieuwe vorm van het 2D-materiaal wolfraamdisulfide (WS2), die zowel 2D als 3D is. WS2 is een halfgeleider - hetzelfde als silicium, die in bijna alle elektronische apparaten wordt aangetroffen. Echter, in tegenstelling tot silicium, WS2 kan bestaan ​​in een stabiele 2D-vorm. We hebben het WS2-materiaal op een nieuwe manier gerangschikt om een ​​3D-rangschikking van 2D-vellen te creëren die we een nanomesh noemen.

De WS2 nanomesh verdubbelt de frequentie en halveert de golflengte van laserlicht, waarbij de kleur verandert, met grote efficiëntie. Dit betekent dat het nuttig kan zijn in componenten voor kwantumcommunicatie met behulp van licht, waar pogingen om berichten te "afluisteren" altijd kunnen worden gedetecteerd. Licht is belangrijk in kwantumcommunicatie omdat lichtdeeltjes, fotonen genoemd, kan worden gebruikt om informatie over te dragen. Wanneer twee fotonen iets ervaren dat kwantumverstrengeling wordt genoemd, alles wat er met een van hen gebeurt, is onmiddellijk waarneembaar in de andere, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn.

Quantumcommunicatie heeft het potentieel om echt veilige communicatie over de hele wereld te leveren. Gebruikmakend van de bizarre eigenschap van verstrengeling, het is mogelijk om een ​​systeem zo te ontwerpen dat wanneer een signaal wordt onderschept, de afzender weet het meteen.

Veel van de pogingen tot nu toe om kwantumcommunicatie te creëren, hebben laserlicht gebruikt. Maar daarvoor hebben we een efficiënte manier nodig om het licht te regelen. Dit zou mogelijk kunnen worden gedaan met 2D-materialen.

Tweedimensionale opsluiting

Bij 2D-materialen, elektronen kunnen in twee dimensies bewegen, maar hun beweging in de derde dimensie is beperkt. Deze opsluiting geeft 2D-materialen interessante eigenschappen waardoor ze veelbelovend zijn als ultradunne apparaten voor IT, communicatie, voelen, energie, beeldvorming en kwantumcomputers. Voor veel van deze toepassingen de 2D-materialen, die slechts één atoom dik zijn, plat op een steunvlak liggen.

Helaas, echter, de sterkte van deze materialen - dat ze extreem dun zijn - is ook hun grootste zwakte. Dit betekent dat wanneer ze verlicht zijn, zichtbaar licht kan slechts over een kleine dikte met hen interageren en het resulterende effect is zwak. Om dit te overwinnen, onderzoekers zoals ik beginnen te zoeken naar nieuwe manieren om de 2D-materialen in complexe 3D-structuren te verpakken.

Nanomesh

Mijn doctoraat student en ik creëerden een webbed 3D-netwerk van dicht opeengepakte, willekeurig verdeelde stapels, met geroteerde en versmolten 2D-platen, een nanomesh genaamd. De unieke eigenschappen zijn het resultaat van het specifieke syntheseproces dat we hebben ontwikkeld. We zijn begonnen met het kweken van eendimensionale nanobuisjes (gerolde platen) van WS2, als een steiger. Deze zijn van nature gevuld met een materiaal waaruit WS2-platen kunnen groeien aan de uiteinden van de nanobuisjes en aan hun zijkanten, over elkaar heen gedraaid en als een waaier ingezet. Deze vellen versmolten vervolgens met elkaar om grotere 2D-platen te creëren die elkaar in 3D kruisen om de nanomesh te creëren.

Binnen een halfgeleider zijn er energiebanden, gescheiden door een energiekloof. Alleen licht met een energie die groter is dan de energiekloof kan op een nuttige manier interageren met het materiaal. Als er nieuwe energieniveaus worden geïntroduceerd binnen deze energiekloof, de verdubbeling van de frequentie van het licht dat door het materiaal gaat is veel efficiënter en kan plaatsvinden over een groter bereik aan golflengten. Dit is precies wat onze nanomesh bereikt, het verandert het energielandschap - de energiebanden, energiehiaten en energieniveaus binnen de kloof - van het materiaal.

Metingen door mijn collega's in de fotonicagroep toonden aan dat het nanomesh-materiaal inderdaad efficiënt de ene laserkleur omzet in een andere over een breed palet aan kleuren. Vergeleken met platliggende WS2-lagen, de nanomesh is zeer efficiënt en reageert op een breed scala aan lichtgolflengten, terwijl het ook duurzaam is en over grote oppervlakten kan worden gekweekt.

Onze studie is het bewijs dat het samenvoegen van 2D-materialen tot een 3D-opstelling niet alleen resulteert in dikkere 2D-materialen waarmee het licht sterker interageert, het produceert materialen met geheel nieuwe eigenschappen.

Het nanomesh dat we hebben gemaakt is technologisch eenvoudig op grote schaal te produceren, en biedt interactie met licht dat kan worden afgestemd. Het materiaal kan verder worden ontwikkeld, bijvoorbeeld door kleine metalen nanodeeltjes op te nemen of door een tweede materiaal af te zetten. Dergelijke hybriden zouden aanvullende manieren bieden om het laserlicht dat er doorheen gaat te veranderen.

Ons volgende doel is om de nanomesh op te nemen in apparaten die licht uitzenden en wijzigen en die kunnen worden geïntegreerd met traditionele micro-elektronica. Dit is een route voor het ontwikkelen van praktische kwantum optische communicatie.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.