2D-Materialien verbessern eine 3-D-Welt

Unity 3D Tutorial Deutsch #1 (Juni 2019).

Anonim

Im vergangenen Jahrzehnt haben zweidimensionale 2D-Materialien die Faszination einer stetig wachsenden Zahl von Wissenschaftlern erfasst. Diese Materialien, deren definierendes Merkmal eine Dicke von nur einem bis zu sehr wenigen Atomen aufweist, können aus einer Vielzahl verschiedener Elemente oder Kombinationen davon hergestellt werden. Die Faszination der Wissenschaftler für 2D-Materialien begann mit dem von Nobelpreisträger Andre Geim und Konstantin Novoselov durchgeführten Experiment: Ein 2D-Material wurde mit einem Stück Graphit und gewöhnlichem Klebeband hergestellt. Dieses genial einfache Experiment ergab ein unglaubliches Material: Graphen. Dieses ultraleichte Material ist etwa 200 Mal stärker als Stahl und ein hervorragender Leiter. Als Wissenschaftler herausfanden, dass Graphen über eindrucksvollere Eigenschaften verfügt als sein Graphit, entschieden sie sich, andere 2D-Materialien zu untersuchen, um herauszufinden, ob dies eine universelle Eigenschaft ist.

Christopher Petoukhoff, ein Student der Rutgers University, der in der Abteilung für Femtosekunden-Spektroskopie an der Okinawa-Universität für Wissenschaft und Technologie (OIST) arbeitet, untersucht ein 2-D-Material aus Molybdändisulfid (MoS2). Seine Forschung konzentriert sich auf die optoelektronischen Anwendungen des 2-D-Materials oder darauf, wie das Material Licht detektieren und absorbieren kann. Optoelektronik ist in der heutigen Welt allgegenwärtig, von den Photodetektoren in automatischen Türen und Handtrocknern über Solarzellen bis hin zu LED-Lampen, aber wie jeder, der vor einem automatischen Waschbecken gestanden hat, verzweifelt mit den Händen wedelt, um es zur Arbeit zu bringen Es gibt viel Raum für Verbesserungen. Das 2-D MoS2 ist besonders interessant für den Einsatz in Photodetektoren, da es die gleiche Lichtmenge absorbiert wie 50 nm der derzeit verwendeten siliziumbasierten Technologien und dabei 70-mal dünner ist.

Petoukhoff, unter der Leitung von Professor Keshav Dani, versucht, optoelektronische Bauelemente zu verbessern, indem eine 2-D-Schicht MoS2 zu einem organischen Halbleiter hinzugefügt wird, der ähnliche Absorptionsstärken wie MoS2 aufweist. Die Theorie hinter der Verwendung beider Materialien ist, dass die Wechselwirkung zwischen der MoS2-Schicht und dem organischen Halbleiter zu einem effizienten Ladungstransfer führen sollte. Petoukhoffs Forschung, die in ACS Nano veröffentlicht wurde, zeigt zum ersten Mal, dass der Ladungstransfer zwischen diesen beiden Schichten in einer ultraschnellen Zeitskala in der Größenordnung von weniger als 100 Femtosekunden oder einem Zehntel einer Millionstel einer Millionstel Sekunde stattfindet.

Die Dünne dieser Materialien wird jedoch zu einem begrenzenden Faktor in ihrer Effizienz als Photovoltaik oder Lichtenergieumwandlungsvorrichtungen. Licht absorbierende Vorrichtungen, wie Solarzellen und Photodetektoren, benötigen eine gewisse optische Dicke, um Photonen zu absorbieren, anstatt ihnen zu erlauben, hindurchzugehen. Um dies zu überwinden, fügten Forscher der Femtosekunden-Spektroskopie-Einheit dem organischen Halbleiter-MoS2-Hybrid eine Reihe von Silber-Nanopartikeln oder eine plasmonische Metasurface hinzu, um das Licht im Gerät zu fokussieren und zu lokalisieren. Die Zugabe der Metasurface erhöht die optische Dicke des Materials und nutzt gleichzeitig die einzigartigen Eigenschaften der ultradünnen aktiven Schicht, die letztendlich die Gesamtabsorption erhöhen.

Während diese Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, sind ihre Implikationen für die Zukunft enorm. Kombinationen mit 2-D-Materialien können die Marktfähigkeit von optoelektronischen Bauelementen revolutionieren. Herkömmliche optoelektronische Vorrichtungen sind teuer in der Herstellung und werden oft aus seltenen oder toxischen Elementen wie Indium oder Arsen hergestellt. Organische Halbleiter haben niedrige Herstellungskosten und sind aus erdreichen und ungiftigen Elementen hergestellt. Diese Forschung kann möglicherweise die Kosten und die Effizienz der Optoelektronik verbessern und zu besseren Produkten in der Zukunft führen.

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