Wissenschaftler entwickeln ein Halbleiter-Nanokomposit-Material, das sich als Reaktion auf Licht bewegt

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Anonim

Ein Forscherteam am Worcester Polytechnic Institute (WPI) hat ein revolutionäres lichtaktiviertes Halbleiter-Nanokompositmaterial entwickelt, das in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann, darunter mikroskopische Aktuatoren und Greifer für chirurgische Roboter, lichtbetriebene Mikrospiegel für optische Telekommunikationssysteme und effizientere Solarzellen und Photodetektoren.

"Dies ist ein neues Gebiet der Wissenschaft", sagte Balaji Panchapakesan, Associate Professor für Maschinenbau am WPI und Hauptautor eines Papiers über das neue Material in Scientific Reports, einem Open-Access-Journal von den Verlagen von Nature veröffentlicht. "Nur wenige Materialien sind in der Lage, Photonen direkt in mechanische Bewegung umzuwandeln. In dieser Arbeit stellen wir das erste Halbleiter-Nanokompositmaterial vor, das dafür bekannt ist. Es ist ein faszinierendes Material, das sich durch hohe Festigkeit und verbesserte optische Absorption auszeichnet unter mechanischer Belastung.

"Kleine Greifer und Aktuatoren, die mit diesem Material hergestellt wurden, könnten auf Mars-Rovern verwendet werden, um feine Staubpartikel einzufangen." Panchapakesan bemerkt. "Sie könnten mit winzigen Robotern durch den Blutkreislauf reisen, um Krebszellen zu fangen oder winzige Gewebeproben zu nehmen. Das Material könnte zur Herstellung von Mikroaktoren für rotierende Spiegel in optischen Telekommunikationssystemen verwendet werden; sie würden streng mit Licht arbeiten und würden kein anderes benötigen Energiequelle."

Wie andere Halbleitermaterialien ist Molybdändisulfid, das Material, das in den wissenschaftlichen Berichten beschrieben wird ("chromatische mechanische Reaktion in 2D-geschichteten Übergangsmetalldichalkogenid (TMDs) -basierten Nanokompositen"), dadurch gekennzeichnet, wie Elektronen angeordnet sind und sich darin bewegen seine Atome. Insbesondere sind Elektronen in Halbleitern in der Lage, sich von einer Gruppe von äußeren Orbitalen, die als Valenzband bezeichnet werden, zu einer anderen Gruppe von Orbitalen zu bewegen, die als Leitungsband bezeichnet wird, wenn sie durch eine Energiequelle, wie ein elektromagnetisches Feld oder die Photonen in einem Strahl von Licht. Beim Überqueren der "Bandlücke" erzeugen die Elektronen einen Stromfluss, der das Hauptanliegen von Computerchips und Solarzellen ist.

Wenn sich die negativ geladenen Elektronen zwischen Orbitalen bewegen, hinterlassen sie positiv geladene Hohlräume, die als Löcher bezeichnet werden. Ein Paar aus einem gebundenen Elektron und einem Elektronenloch wird Exziton genannt.

In ihren Experimenten beobachteten Panchapakesan und sein Team, zu dem auch die Doktoranden Vahid Rahneshin und Farhad Khosravi gehörten, sowie Kollegen an der Universität von Louisville und der Universität Warschau Pasteuras, dass die Atomorbitale der Molybdän- und Schwefelatome in Molybdändisulfid sind in einzigartiger Weise angeordnet, die Exzitonen innerhalb des Leitungsbandes erlaubt, mit den sogenannten p-Orbitalen der Schwefelatome zu interagieren. Diese "Exzitonenresonanz" trägt zu den starken Sigma-Bindungen bei, die der zweidimensionalen Anordnung von Atomen im Molybdänsulfid seine außerordentliche Stärke verleihen. Die Stärke dieser Resonanz ist auch für einen einzigartigen Effekt verantwortlich, der Wärme innerhalb des Materials erzeugen kann. Es ist die Wärme, die zu der chromatischen (lichtinduzierten) mechanischen Reaktion des Materials führt.

Um das spätere Phänomen zu nutzen, hat Panchapakesans Team dünne Schichten aus nur ein bis drei Lagen Molybdändisulfid in Schichten aus einem gummiartigen Polymer hergestellt. Sie setzten diese Nanokomposite verschiedenen Lichtwellenlängen aus und stellten fest, dass die durch die Exzitonenresonanz erzeugte Wärme dazu führte, dass das Polymer je nach Wellenlänge des verwendeten Lichts expandierte und kontrahierte. In früheren Arbeiten nutzte Panchapakesans Team diese fotomechanische Reaktion, indem er winzige Greifer herstellte, die sich als Reaktion auf Lichtpulse öffnen und schließen. Die Greifer können Kunststoffperlen in der Größe einer einzelnen menschlichen Zelle einfangen.

In weiteren Tests entdeckten Panchapakesan und sein Team ein weiteres einzigartiges Verhalten des Molybdändisulfid-Komposits, das die Tür zu einer anderen Reihe von Anwendungen öffnet. Mit Hilfe des so genannten "dehnen-engineering" dehnten sie das Material aus und entdeckten, dass mechanische Beanspruchungen seine Fähigkeit zur Lichtabsorption erhöhten.

"Dies ist etwas, das mit herkömmlichen Dünnfilmhalbleitern nicht möglich ist", sagte Panchapakesan, "denn wenn man sie dehnt, werden sie vorzeitig brechen. Aber mit seiner einzigartigen Materialstärke kann Molybdändisulfid gestreckt werden. Und seine erhöhte optische Absorption unter Spannung macht es zu einem guten Kandidaten für effizientere Solarzellen, Photodetektoren und Detektoren für thermische und Infrarotkameras.

"Die Exzitonenresonanz, die photomechanische Reaktion und die erhöhte optische Absorption unter Belastung machen dies zu einem außergewöhnlichen Material und zu einem interessanten Thema für weitere Untersuchungen", fügte er hinzu.

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