Trillende 2D-materialen

De huidige elektronische componenten in computers, mobiele telefoons en vele andere apparaten zijn gebaseerd op microgestructureerde siliciumdragers. Deze technologie heeft echter bijna zijn fysieke limieten bereikt en de kleinst mogelijke structuurgroottes.

Tweedimensionale (2-D) materialen worden daarom intensief onderzocht. Men kan zich deze materialen voorstellen als extreem dunne films die uit slechts één laag atomen bestaan. De bekendste is grafeen, een atomair dunne laag grafiet. Voor zijn ontdekking ontvingen Andre Geim en Konstantin Novoselov in 2010 de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Hoewel grafeen puur uit koolstof bestaat, zijn er tal van andere 2D-verbindingen die worden gekenmerkt door speciale optische en elektronische eigenschappen. Talloze mogelijke toepassingen van deze verbindingen worden momenteel onderzocht, bijvoorbeeld voor gebruik in zonnecellen, in micro- en opto-elektronica, in composietmaterialen, katalyse, in verschillende soorten sensoren en lichtdetectoren, in biomedische beeldvorming of in het transport van medicijnen in het organisme.

Lichtenergie kan 2D-materialen laten trillen

Voor de functie van deze 2-D-verbindingen maakt men gebruik van hun speciale eigenschappen. “Het is belangrijk om te weten hoe ze reageren op excitatie met licht”, zegt professor Tobias Brixner, hoofd van de leerstoel Fysische Chemie I aan de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland.

In principe worden 2-D materialen elektronisch aangeslagen, net als gewone silicium zonnecellen wanneer er voldoende lichtenergie op valt. De energie kan er echter voor zorgen dat de atomair dunne laag tegelijkertijd trilt. Dit heeft weer invloed op de opto-elektronische eigenschappen.

De sterkte van exciton-fonon-koppeling is moeilijk te bepalen

Tot nu toe was niet bekend hoe sterk licht dergelijke oscillaties opwekt in een 2D-materiaal bij kamertemperatuur. Nu, in een internationale samenwerking, is een team onder leiding van Tobias Brixner er voor het eerst in geslaagd om de sterkte van de oscillatie-excitatie bij lichtabsorptie in een 2-D materiaal – namelijk in een “overgangsmetaaldichalcogenide” – bij kamertemperatuur te bepalen.

“Deze hoeveelheid, in technisch jargon bekend als exciton-fonon koppelingssterkte, is moeilijk te bepalen omdat bij kamertemperatuur het absorptiespectrum erg ‘uitgesmeerd’ is en er geen individuele spectraallijnen kunnen worden gescheiden”, zegt de JMU-fysicus en fysisch chemicus. .

Postdoc ontwikkelde coherente 2-D microscopie

Nu heeft postdoctoraal onderzoeker Dr. Donghai Li in Würzburg echter de methode van “coherente 2D-microscopie” ontwikkeld. Het combineert de ruimtelijke resolutie van een microscoop met de femtoseconde tijdresolutie van ultrakorte laserpulsen en met de multidimensionale frequentieresolutie. Hierdoor kon Li de invloed van de oscillaties kwantificeren.

Brixner legt uit: “Verrassend genoeg bleek dat de exciton-fonon koppelingssterkte in het onderzochte materiaal veel groter is dan in conventionele halfgeleiders. Deze bevinding is behulpzaam bij de verdere ontwikkeling van 2-D materialen voor specifieke toepassingen.”