Omgevingslicht verandert de breking in 2D-materiaal

Microscopische kristallen in tantaal disulfide spelen een hoofdrol in wat een hit zou kunnen worden voor 3D-schermen, virtual reality en zelfs zelfrijdende voertuigen.

Volgens ingenieur Gururaj Naik en afgestudeerde student Weijian Li van Rice’s Brown School of Engineering heeft een tweedimensionale reeks van het materiaal unieke optische eigenschappen die kunnen worden gecontroleerd onder omgevingsomstandigheden en onder algemene verlichting.

Wanneer ze een tweedimensionale strook van een bulkmonster trekken (met dat beproefde gereedschap, plakband) en er licht op laten schijnen, herschikt het gelaagde materiaal de ladingsdichtheidsgolven van elektronen die erdoorheen stromen, waardoor de brekingsindex verandert.

Licht dat langs de aangetaste as wordt uitgezonden, verandert van kleur afhankelijk van de sterkte van het licht dat binnenkomt.

De ontdekking wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Nano Letters.

“We hebben een optisch materiaal nodig dat de brekingsindex kan veranderen voor toepassingen zoals virtual reality, 3D-beeldschermen, optische computers en lidar, wat nodig is voor autonome voertuigen”, zegt Naik, een assistent-professor in elektrische en computertechniek. “Tegelijkertijd moet het snel zijn. Alleen dan kunnen we deze nieuwe technologieën mogelijk maken.”

Tantaaldisulfide, een halfgeleidende, gelaagde verbinding met een prismatisch metalen midden, lijkt te passen. Het materiaal is al bekend vanwege het herbergen van ladingsdichtheidsgolven bij kamertemperatuur die aanpassingen aan de elektrische geleidbaarheid mogelijk maken, maar de sterkte van de lichtinvoer verandert ook de brekingsindex, die de snelheid kwantificeert waarmee licht erdoorheen reist. Dat maakt het instelbaar, zei Naik.

Bij blootstelling aan licht reorganiseert de tantaallaag zich in een rooster van 12-atoomsterren, zoals de Davidster of sheriff-insignes, die ladingsdichtheidsgolven vergemakkelijken. Hoe deze sterren worden gestapeld, bepaalt of de verbinding isolerend of metaalachtig is langs de c-as.

Het blijkt dat dit ook de brekingsindex bepaalt. Licht triggert de sterren om opnieuw uit te lijnen, waardoor de ladingsdichtheidsgolven voldoende veranderen om de optische constanten van het materiaal te beïnvloeden.

“Dit behoort tot een klasse van wat we sterk gecorreleerde materialen noemen, wat betekent dat de elektronen een sterke interactie met elkaar hebben,” zei Li. “In dit geval kunnen we de eigenschappen voorspellen die sterk reageren op een externe stimulus.”

Dat de stimulus zo mild is als omringend wit licht is een pluspunt, voegde Naik eraan toe. “Dit is het eerste materiaal dat we hebben gezien waarbij de interactie van licht niet alleen plaatsvindt met enkele deeltjes, maar ook met een verzameling deeltjes samen, bij kamertemperatuur”, zei hij. Het fenomeen lijkt te werken in tantaaldisulfide zo dun als 10 nanometer en zo dik als een millimeter, zei hij.

“We denken dat dit een belangrijke ontdekking is voor degenen die sterk gecorreleerde materialen voor toepassingen bestuderen”, zei Naik. “We laten zien dat licht een zeer krachtige knop is om de mate van correlatie in dit materiaal te veranderen.”