Het veranderen van de symmetrie van een 2D-materiaal kan zijn belofte ontgrendelen

Opto-elektronische materialen die in staat zijn om de energie van licht om te zetten in elektriciteit en elektriciteit in licht, hebben veelbelovende toepassingen als lichtgevende, energie-oogst- en sensortechnologieën. Apparaten die van deze materialen zijn gemaakt, worden echter vaak geplaagd door inefficiëntie, waardoor aanzienlijke bruikbare energie als warmte verloren gaat. Om de huidige efficiëntiegrenzen te doorbreken, zijn nieuwe principes van licht-elektriciteitsconversie nodig.

Veel materialen die efficiënte opto-elektronische eigenschappen vertonen, worden bijvoorbeeld 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, onder leiding van Jian Shi, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan het Rensselaer Polytechnic Institute, een spanningsgradiënt gebruikt om die inversiesymmetrie te doorbreken, waardoor een nieuw opto-elektronisch fenomeen ontstond in het veelbelovende materiaal molybdeendisulfide (Mos₂)-Voor de eerste keer.

Om de inversiesymmetrie te doorbreken, plaatste het team een ​​vanadiumoxide (VO₂) draad onder een vel MoS₂. Molybdeendisulfide is een flexibel materiaal, zei Shi, dus het vervormde zijn oorspronkelijke vorm om de curve van de VO te volgen₂ draad, waardoor een gradiënt ontstaat binnen het 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 MoS₂ rooster.

Die gradiënt, zei Shi, breekt de inversiesymmetrie van het materiaal en zorgt ervoor dat elektronen die in het kristal reizen, kunnen 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 kan worden gebruikt om nieuwe en/of zeer efficiënte opto-elektronica te ontwerpen.

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

Vanadiumoxide is erg temperatuurgevoelig, dus het team kon ook aantonen dat het flexo-fotovoltaïsche effect temperatuurafhankelijkheid veroorzaakte op de plaats waar de MoS₂ en VO₂ 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”, zegt Jie Jiang, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Shi en de eerste auteur van dit artikel.

Wat het team hier kon aantonen, zei Shi, 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.