Een zeer lichtabsorberend en instelbaar materiaal

Door verschillende tweedimensionale materialen in lagen te leggen, hebben natuurkundigen van de Universiteit van Basel een nieuwe structuur gecreëerd met het vermogen om bijna al het licht van een geselecteerde golflengte te absorberen. De prestatie is gebaseerd 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.

Dubbele laag ontgrendelt cruciale eigenschappen

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

Het resulterende gat en het elektron worden naar elkaar toe aangetrokken in overeenstemming met de wet van Coulomb, waardoor gebonden elektron-gatparen ontstaan ​​die stabiel blijven bij kamertemperatuur. Met enkellaags molybdeendisulfide is er echter geen manier om te regelen 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 Swiss Nanoscience Institute uit.

Absorptie en afstembaarheid

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

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

Richard Warburton voegt eraan toe: “Dit onderzoek zou de weg kunnen effenen voor een nieuwe benadering voor het ontwikkelen van opto-elektronische apparaten zoals modulatoren.” Modulatoren worden gebruikt om selectief de amplitude van een signaal te veranderen. Een andere mogelijke toepassing is het genereren van individuele fotonen, met belangrijke implicaties voor de kwantumtechnologie.