Licht kan atomaire halfgeleiders hervormen voor optische apparaten van de volgende generatie

Onderzoekers van Rice University die een klasse van atoomdunne halfgeleiders bestuderen, bekend als transitiemetaaldichalcogeniden (TMD’s), hebben ontdekt dat licht een fysieke verschuiving in hun atoomrooster kan veroorzaken, waardoor een afstembare manier ontstaat om het gedrag en de eigenschappen van de materialen aan te passen.

Het effect, waargenomen in een TMD-subtype genoemd naar de Romeinse god van de overgangen met twee gezichten, Janus, zou technologieën kunnen bevorderen die licht gebruiken in plaats van elektriciteit, van snellere en koelere computerchips tot ultragevoelige sensoren en flexibele opto-elektronische apparaten.

“In niet-lineaire optica kan licht worden hervormd om nieuwe kleuren, snellere pulsen of optische schakelaars te creëren die signalen aan en uit zetten”, zegt Kunyan Zhang, een PhD-alumna van Rice en eerste auteur van een onderzoek dat het effect documenteert. “Tweedimensionale materialen, die slechts een paar atomen dik zijn, maken het mogelijk om deze optische gereedschappen op zeer kleine schaal te bouwen.”

De studie is gepubliceerd in het journaal ACS Nano.

TMD’s zijn gelaagde kristallen gemaakt van een overgangsmetaal zoals molybdeen en twee lagen van een chalcogeenelement zoals zwavel of selenium. Hun combinatie van elektrische geleidbaarheid, lichtabsorptie en mechanische flexibiliteit heeft ze tot een van de meest veelzijdige materiaalklassen gemaakt voor de volgende generatie elektronica en opto-elektronica.

Binnen deze familie vallen de materialen van Janus op door hun asymmetrie – een idee dat weerspiegeld wordt in hun naam. Net als hun mythologische naamgenoot hebben deze materialen twee verschillende gezichten: de bovenste en onderste atomen zijn gemaakt van verschillende chemische soorten, waardoor een interne onbalans ontstaat die het kristal een ingebouwde elektrische polariteit geeft, waardoor het bijzonder gevoelig is voor licht en externe krachten.

“Ons werk onderzoekt hoe de structuur van Janus-materialen hun optische gedrag beïnvloedt en hoe licht zelf een kracht in de materialen kan genereren”, zei Zhang.

Met behulp van laserlicht van verschillende kleuren bestudeerde het team hoe een tweelaags Janus TMD-materiaal – molybdeenzwavelselenide gestapeld op molybdeendisulfide – licht omzet via een proces dat tweede harmonische generatie (SHG) wordt genoemd, waarbij het materiaal licht uitzendt met tweemaal de frequentie van de inkomende straal. Ze ontdekten dat wanneer het binnenkomende licht overeenkwam met de natuurlijke resonanties van het materiaal, het lichtpatroon met dubbele frequentie vervormd raakte, wat aangeeft dat de atomen binnenin werden verplaatst.

“We ontdekten dat schijnend licht op Janus molybdeenzwavelselenide en molybdeendisulfide kleine, gerichte krachten in het materiaal creëert, die zich manifesteren als veranderingen in het SHG-patroon,” zei Zhang. “Normaal gesproken vormt het SHG-signaal een zespuntige bloemvorm die de symmetrie van het kristal weerspiegelt, maar wanneer licht op de atomen drukt, breekt deze symmetrie: de bloembladen van het patroon krimpen ongelijkmatig.”

Het team herleidde de vervorming tot optostrictie, een proces waarbij het elektromagnetische lichtveld zelf een mechanische druk op atomen uitoefent. In Janus-materialen wordt die druk versterkt door een sterke koppeling tussen de atomaire lagen, waardoor zelfs kleine krachten meetbare spanning kunnen veroorzaken.

“Janus-materialen zijn hier ideaal voor omdat hun ongelijke samenstelling een verbeterde koppeling tussen lagen creëert, waardoor ze gevoeliger worden voor de kleine krachten van licht – krachten die zo klein zijn dat het moeilijk is om ze rechtstreeks te meten, maar we kunnen ze detecteren door veranderingen in het SHG-signaalpatroon, “zei Zhang.

Die gevoeligheid zou deze materialen tot ver buiten het laboratorium bruikbaar kunnen maken. Componenten die licht schakelen of geleiden met behulp van dit principe zouden optische chips sneller en veel energiezuiniger kunnen maken, omdat op licht gebaseerde circuits minder warmte genereren dan conventionele elektronica. Dezelfde responsiviteit zou kunnen worden benut om nauwkeurige sensoren te creëren die in staat zijn de kleinste trillingen of drukveranderingen te detecteren, of om afstembare lichtbronnen te creëren voor geavanceerde beeldschermen en beeldverwerkingstools.

“Een dergelijke actieve controle zou kunnen helpen bij het ontwerpen van fotonische chips van de volgende generatie, ultragevoelige detectoren of kwantumlichtbronnen – technologieën die licht gebruiken om informatie te transporteren en te verwerken in plaats van afhankelijk te zijn van elektriciteit”, zegt Shengxi Huang, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek en materiaalkunde en nano-engineering bij Rice en een corresponderende auteur van het onderzoek. Huang is ook lid van het Smalley-Curl Institute, het Rice Advanced Materials Institute en het Ken Kennedy Institute in Rice.

Door te laten zien hoe de ingebouwde onbalans van Janus TMD’s nieuwe manieren opent om de lichtstroom te sturen, benadrukt de studie hoe kleine structurele kenmerken een groot technologisch potentieel kunnen ontsluiten.