Opto-elektronische materialen die de energie van licht kunnen omzetten in elektriciteit, en elektriciteit in licht, veelbelovende toepassingen hebben als lichtgevende, energie-oogsten, en sensortechnologieën. Echter, apparaten gemaakt van deze materialen worden vaak geplaagd door inefficiëntie, aanzienlijke bruikbare energie verliezen als warmte. Om de huidige grenzen van efficiëntie te doorbreken, nieuwe principes van licht-elektriciteit conversie zijn nodig.

Bijvoorbeeld, veel materialen die efficiënte opto-elektronische eigenschappen vertonen, worden beperkt door inversiesymmetrie, een fysieke eigenschap die de controle van ingenieurs over elektronen in het materiaal en hun opties voor het ontwerpen van nieuwe of efficiënte apparaten beperkt. In onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , een team van materiaalwetenschappers en ingenieurs, geleid door Jian Shi, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan het Rensselaer Polytechnic Institute, een spanningsgradiënt gebruikt om die inversiesymmetrie te doorbreken, het creëren van een nieuw opto-elektronisch fenomeen in het veelbelovende materiaal molybdeendisulfide (MoS ₂ )-Voor de eerste keer.

Om de inversiesymmetrie te doorbreken, het team plaatste een vanadiumoxide (VO ₂ ) draad onder een vel MoS ₂ . Molybdeendisulfide is een flexibel materiaal, Shi zei, dus het vervormde zijn oorspronkelijke vorm om de curve van de VO . te volgen ₂ draad, het creëren van een gradiënt binnen zijn kristalrooster. Stel je voor wat er zou gebeuren als je een stuk papier over een potlood zou leggen dat op een tafel lag. De gevarieerde spanning die in het papier wordt gecreëerd, is als de spanningsgradiënt gevormd in de MoS ₂ rooster.

Dat verloop, Shi zei, breekt de inversiesymmetrie van het materiaal en laat elektronen die in het kristal reizen, worden gemanipuleerd. De unieke fotorespons die wordt waargenomen nabij de rekgradiënt maakt het mogelijk dat er een stroom door het materiaal vloeit. Het staat bekend als het flexo-fotovoltaïsche effect, en het zou kunnen worden gebruikt om nieuwe en/of zeer efficiënte opto-elektronica te ontwerpen.

"Dit is de eerste demonstratie van een dergelijk effect in dit materiaal, Shi zei. "Als we een oplossing hebben die geen warmte creëert tijdens de foton-elektriciteitsconversie, dan kunnen de elektronische apparaten of circuits worden verbeterd."

Vanadiumoxide is zeer temperatuurgevoelig, dus het team kon ook aantonen dat het flexo-fotovoltaïsche effect temperatuurafhankelijkheid veroorzaakte op de plaats waar de MoS ₂ en VO ₂ materialen ontmoeten elkaar - de gradiënt van het rooster dienovereenkomstig veranderen.

"Deze ontdekking suggereert een nieuw principe dat kan worden gebruikt voor thermische detectie op afstand, " zei Jie Jiang, een postdoctoraal onderzoeker in Shi's lab en de eerste auteur van dit artikel.

Wat het team hier kon laten zien, Shi zei, is niet alleen veelbelovend voor dit materiaal, maar suggereert ook het potentieel van het gebruik van een dergelijke benadering bij het ontwerpen van andere materialen met gunstige opto-elektronische eigenschappen die worden geplaagd door inversiesymmetrie.