Natuurkundigen observeren gemodificeerde energielandschappen op de kruising van 2D-materialen

In 1884 schreef Edwin Abbott de roman Flatland: A Romance in Many Dimensions als een satire van de Victoriaanse hiërarchie. Hij stelde zich een wereld voor die slechts in twee dimensies bestond, waar de wezens 2D geometrische figuren zijn. De fysica van een dergelijke wereld lijkt enigszins op die van moderne 2D-materialen, zoals grafeen en overgangsmetaaldichalcogeniden, waaronder wolfraamdisulfide (WS₂), wolfraamdiselenide (WSe₂), molybdeendisulfide (MoS₂) en molybdeendiselenide (MoSe₂).

Moderne 2D-materialen bestaan ​​uit enkel-atoomlagen, waar elektronen in twee dimensies kunnen bewegen, maar hun beweging in de derde dimensie is beperkt. Door deze ‘squeeze’ hebben 2D-materialen verbeterde optische en elektronische eigenschappen die veelbelovend zijn als ultradunne apparaten van de volgende generatie op het gebied van onder meer energie, communicatie, beeldvorming en kwantumcomputers.

Typisch, voor al deze toepassingen, worden de 2D-materialen voorgesteld in platliggende arrangementen. Helaas is de sterkte van deze materialen ook hun grootste zwakte: ze zijn extreem dun. Dit betekent dat wanneer ze worden verlicht, het licht er slechts over een kleine dikte mee kan interageren, wat hun bruikbaarheid beperkt. Om deze tekortkoming te verhelpen, beginnen onderzoekers te zoeken naar nieuwe manieren om de 2D-materialen in complexe 3D-vormen te vouwen.

In ons 3D-universum kunnen 2D-materialen op elkaar worden gerangschikt. Om de Flatland-metafoor uit te breiden, zou een dergelijke opstelling vrij letterlijk parallelle werelden vertegenwoordigen die worden bewoond door mensen die voorbestemd zijn elkaar nooit te ontmoeten.

Nu hebben wetenschappers van het Department of Physics van de University of Bath in het VK een manier gevonden om 2D-platen van WS te rangschikken₂ (voorheen gemaakt in hun lab) in een 3D-configuratie, resulterend in een energielandschap dat sterk veranderd is in vergelijking met dat van de platliggende WS₂ lakens. Deze specifieke 3D-opstelling staat bekend als een ‘nanomesh’: een netwerk met zwemvliezen van dicht opeengepakte, willekeurig verdeelde stapels, met gedraaide en / of gefuseerde WS₂ lakens.

Door dit soort aanpassingen in Flatland zouden mensen in elkaars werelden kunnen stappen. “We waren niet van plan om de inwoners van Flatland te verontrusten”, zei professor Ventsislav Valev, die het onderzoek leidde, “Maar vanwege de vele defecten die we nano-engineered in de 2D-materialen, zouden deze hypothetische inwoners hun wereld behoorlijk vreemd vinden.

“Ten eerste hebben onze WS2-platen eindige afmetingen met onregelmatige randen, zodat hun wereld een vreemd gevormd einde zou hebben. Ook zijn sommige zwavelatomen vervangen door zuurstof, wat voor elke bewoner gewoon verkeerd zou aanvoelen. kruisen elkaar en smelten samen, en draaien zelfs over elkaar heen, wat het energielandschap van de materialen verandert. Voor de Flatlanders zou zo’n effect eruitzien alsof de wetten van het universum plotseling over hun hele landschap waren veranderd. “

Dr. Adelina Ilie, die het nieuwe materiaal samen met haar voormalige Ph.D. student en postdoc Zichen Liu, zei: “Het gewijzigde energielandschap is een belangrijk punt voor onze studie. Het is het bewijs dat het samenvoegen van 2D-materialen in een 3D-opstelling niet alleen resulteert in ‘dikkere’ 2D-materialen, het levert ook geheel nieuwe materialen op. . Onze nanomesh is technologisch eenvoudig te produceren en biedt instelbare materiaaleigenschappen om aan de eisen van toekomstige toepassingen te voldoen. “

Professor Valev voegde eraan toe: “De nanomesh heeft zeer sterke niet-lineaire optische eigenschappen – het zet de ene laserkleur efficiënt om in een andere over een breed kleurenpalet. Ons volgende doel is om het te gebruiken op Si-golfgeleiders voor het ontwikkelen van kwantumoptische communicatie.”

Ph.D. student Alexander Murphy, ook betrokken bij het onderzoek, zei: “Om het gewijzigde energielandschap bloot te leggen, hebben we nieuwe karakteriseringsmethoden bedacht en ik kijk ernaar uit om deze op andere materialen toe te passen. Wie weet wat we nog meer zouden kunnen ontdekken?”