Op maat gemaakte 2D-materialen om elektronische en optische apparaten te verbeteren

Volgens onderzoekers van Penn State zijn nieuwe mogelijkheden voor toekomstige ontwikkelingen in elektronische en optische apparaten ontsloten door recente ontwikkelingen in tweedimensionale (2-D) materialen.

De onderzoekers, geleid door Shengxi Huang, assistent-professor elektrotechniek en biomedische technologie aan Penn State, publiceerden onlangs de resultaten van twee afzonderlijke maar verwante ontdekkingen met betrekking tot hun succes met het aanpassen van de dunne 2-D-materialen voor toepassingen in veel optische en elektronische apparaten. Door het materiaal op twee verschillende manieren te veranderen – atomair en fysiek – waren de onderzoekers in staat de lichtemissie te verbeteren en de signaalsterkte te vergroten, waardoor de grenzen van wat mogelijk is met apparaten die op deze materialen vertrouwen, worden vergroot.

Bij de eerste methode veranderden de onderzoekers de atomaire samenstelling van de materialen. In veelgebruikte 2-D-materialen vertrouwen onderzoekers op de interactie tussen de dunne lagen, bekend als van der Waals-tussenlaagkoppeling, om ladingsoverdracht te creëren die vervolgens in apparaten wordt gebruikt. Deze koppeling tussen de lagen is echter beperkt omdat de ladingen traditioneel gelijkmatig over de twee zijden van elke laag worden verdeeld.

Om de koppeling te versterken, creëerden de onderzoekers een nieuw type 2-D-materiaal dat bekend staat als Janus-overgangsmetaal dichalcogeniden door atomen aan één kant van de laag te vervangen door een ander type atomen, waardoor een ongelijke verdeling van de lading ontstaat.

“Deze [atomic change] betekent dat de lading ongelijkmatig kan worden verdeeld, “zei Huang.” Dat creëert een elektrisch veld in het vliegtuig en kan daardoor verschillende moleculen aantrekken, wat de lichtemissie kan versterken. “

Als de van der Waals-tussenlaagkoppeling op het juiste niveau kan worden afgesteld door lagen met een bepaalde hoek te draaien, kan dit supergeleiding veroorzaken, wat gevolgen heeft voor de vooruitgang in elektronische en optische apparaten.

Bij de tweede methode om 2D-materialen te veranderen om hun mogelijkheden te verbeteren, versterkten de onderzoekers het signaal dat voortkwam uit een energie-up-conversieproces door een laag MoS2 te nemen, een veelgebruikt 2D-materiaal dat meestal vlak en dun is, en het rollen in een ongeveer cilindrische vorm.

Het energieconversieproces dat plaatsvindt met het MoS2-materiaal maakt deel uit van een niet-lineair optisch effect waarbij, als een licht op een object schijnt, de frequentie wordt verdubbeld, en dat is waar de energieomzetting van pas komt.

“We willen de frequentie in dit proces altijd verdubbelen”, zei Huang. “Maar het signaal is meestal erg zwak, dus het verbeteren van het signaal is erg belangrijk.”

Door het materiaal te rollen bereikten de onderzoekers een meer dan 95 keer signaalverbetering.

Nu, Huang is van plan om deze twee voorschotten samen te voegen.

“De volgende stap voor ons onderzoek is hoe we atomaire engineering en vormtechniek kunnen combineren om betere optische apparaten te maken”, zei ze.

Een paper over het onderzoek van de atomaire structuur, “Enhancement of van der Waals Interlayer Coupling through Polar Janus MoSSe”, werd onlangs gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society (ACS). Het artikel over het onderzoek naar het rollen van de materialen, “Chirality-Dependent Second Harmonic Generation of MoS2 Nanoscroll with Enhanced Efficiency”, werd onlangs gepubliceerd in ACS Nano.