Исследователи, работающие в лаборатории сверхбыстрых лазеров Канзасского университета, успешно создали этот материал, объединив атомарно тонкие слои дисульфида молибдена и дисульфида рения.
«Оба поглощают свет очень хорошо, как полупроводники, и оба они очень гибкие, их можно растягивать или сжимать», – сказал Хуэй Чжао, доцент физики и астрономии в KU, соавтор статьи. «Целью всего этого направления исследований является создание светоизлучающих устройств, таких как светодиоды, которые являются ультратонкими – всего несколько нанометров – и достаточно гибкими, чтобы их можно было сгибать. Мы показали через этот двухслойный материал, это достижимо."
Чтобы объяснить этот прорыв, Чжао сравнивает поведение электронов в новом материале с классной комнатой.
«Можно представить себе материал как классную комнату, полную студентов – электронов – по одному на каждом сиденье», – сказал он. "Сидя на сиденье, студент – или электрон – не может свободно перемещаться, чтобы проводить электричество. Свет может дать достаточно энергии, чтобы встать на ноги некоторых учеников, которые теперь могут свободно двигаться и, как электроны, проводить электричество. Этот процесс является основой фотоэлектрических устройств, в которых энергия солнечного света улавливается и преобразуется в электричество."
Исследователь KU сказал, что излучение света включает в себя обратный процесс, в котором стоящий электрон садится в кресло, высвобождая свою кинетическую энергию в виде света.
«Чтобы сделать хороший материал для светоизлучающих устройств, нужны не только электроны, которые переносят энергию, но и« сиденья »- так называемые дырки – для того, чтобы электроны сели», – сказал он.
Предыдущие исследования, проведенные несколькими группами, в том числе Чжао, позволили получить различные двухслойные материалы путем наложения различных типов атомных листов. Однако в этих материалах электроны и «сиденья» существуют в разных атомных слоях.
«Поскольку электроны не могут легко найти места, эффективность излучения света этих двухслойных материалов очень низка – более чем в 100 раз ниже, чем в одном атомном слое», – сказал он.
Но в новом материале, объявленном Чжао и его соавторами, «все электроны и их места будут в своем исходном слое, а не в отдельных. Световое излучение будет намного сильнее."
Чжао и его коллеги-исследователи Мэтью Беллус, Сэмюэл Лейн, Фрэнк Себаллос и Цяннан Цуй, все аспиранты факультета физики Калифорнийского университета, а также Мин Ли и Сяо Ченг Цзэн из Университета Небраски в Линкольне создали новый материал, используя тот же низкотехнологичный «скотч». метод впервые в создании графена, материала с одним атомным слоем, который принес своим создателям Нобелевскую премию по физике в 2010 году.
"Есть уловка", – сказал Чжао. "Вы используете скотч, чтобы отделить слой от кристалла, а затем несколько раз складываете ленту, поэтому, когда вы прижимаете ленту к подложке и быстро отклеиваете ее, часть материала останется на подложке.
Под микроскопом срезы одноатомного слоя будут иметь другой цвет из-за их толщины – очень похоже на тонкую пленку масла на воде."
Исследователи из лаборатории Ultrafast Laser Lab KU под руководством Беллуса, первого автора статьи, затем выполнили самый сложный шаг: наложили слой MoS2 поверх ReS2 с точностью лучше одного микрометра.
Атомарно тонкие листы были связаны так называемой силой Ван-дер-Ваальса, той же силой, которая позволяет геккону масштабировать гладкое оконное стекло. «Сила Ван-дер-Ваальса не очень чувствительна к расположению атомов», – сказал Чжао. "Таким образом, можно использовать эти атомные листы для образования многослойных материалов, подобно атомным лего."
После изготовления образцов члены команды использовали сверхбыстрые лазеры для наблюдения за движением электронов и посадочных мест между двумя атомными слоями, и они увидели четкое свидетельство того, что и электроны, и сиденья могут перемещаться от MoS2 к ReS2, но не в противоположном направлении.
При этом команда подтвердила теоретические расчеты, выполненные Ли и Цзэном, которые ранее проанализировали связанные свойства около дюжины атомных листов, и предсказали, что бислои, образованные MoS2 и ReS2, будут многообещающими в качестве основы для светодиодной технологии.
По словам Чжао, конечной целью является разработка метода, который позволяет точно контролировать расположение электронов и посадочных мест между различными атомными слоями, чтобы можно было контролировать и оптимизировать электронные и оптические свойства материала.
«Когда-нибудь мы хотели бы видеть светодиоды более тонкими, более энергоэффективными и гибкими», – сказал он. "Подумайте о экране компьютера или телефона, если бы вы могли сложить его несколько раз или положить в карман."
Национальный научный фонд поддержал это исследование.