Ett team av MIT-forskare har använt ett nytt material som bara är några atomer tjockt för att skapa enheter som kan utnyttja eller avge ljus. Detta proof-of-concept kan leda till ultratunn, lättvikt, och flexibla fotovoltaiska celler, ljusemitterande dioder (LED), och andra optoelektroniska enheter, de säger.
Deras rapport är en av tre artiklar av olika grupper som beskriver liknande resultat med detta material, publicerades i numret 9 mars av Naturens nanoteknik . MIT-forskningen utfördes av Pablo Jarillo-Herrero, Mitsui karriärutvecklingsdocent i fysik, doktorander Britton Baugher och Yafang Yang, och postdoc Hugh Churchill.
Materialet de använde, kallad volframdiselenid (WSe2), är en del av en klass av enmolekyltjocka material som undersöks för möjlig användning i nya optoelektroniska enheter - sådana som kan manipulera växelverkan mellan ljus och elektricitet. I dessa experiment, MIT-forskarna kunde använda materialet för att producera dioder, den grundläggande byggstenen i modern elektronik.
Vanligtvis, dioder (som tillåter elektroner att flöda i endast en riktning) tillverkas av "dopning, " som är en process för att injicera andra atomer i kristallstrukturen hos ett värdmaterial. Genom att använda olika material för denna oåterkalleliga process, det är möjligt att göra någon av de två grundläggande typerna av halvledande material, p-typ eller n-typ.
Men med det nya materialet, antingen p-typ eller n-typ funktioner kan erhållas bara genom att föra den försvinnande tunna filmen i mycket nära anslutning till en intilliggande metallelektrod, och inställning av spänningen i denna elektrod från positiv till negativ. Det betyder att materialet enkelt och omedelbart kan bytas från en typ till en annan, vilket sällan är fallet med konventionella halvledare.
I sina experiment, MIT-teamet producerade en enhet med ett ark av WSe2-material som var elektriskt dopat till hälften n-typ och hälften p-typ, skapa en fungerande diod som har egenskaper "mycket nära det ideala, " säger Jarillo-Herrero.
Genom att tillverka dioder, det är möjligt att producera alla tre grundläggande optoelektroniska enheter – fotodetektorer, fotovoltaiska celler, och lysdioder; MIT-teamet har visat alla tre, säger Jarillo-Herrero. Även om dessa är proof-of-concept-enheter, och inte designad för uppskalning, den framgångsrika demonstrationen kan visa vägen mot ett brett spektrum av potentiella användningsområden, han säger.
"Det är känt hur man gör material med mycket stor yta" av denna typ, säger Churchill. Även om ytterligare arbete kommer att krävas, han säger, "det finns ingen anledning att du inte skulle kunna göra det i industriell skala."
I princip, Jarillo-Herrero säger, eftersom detta material kan konstrueras för att producera olika värden av en nyckelegenskap som kallas bandgap, det borde vara möjligt att göra lysdioder som ger vilken färg som helst – något som är svårt att göra med konventionella material. Och eftersom materialet är så tunt, transparent, och lätt, enheter som solceller eller displayer kan potentiellt byggas in i byggnader eller fordonsfönster, eller till och med inkorporerad i kläder, han säger.
Även om selen inte är lika rikligt som kisel eller andra lovande material för elektronik, tunnheten på dessa ark är en stor fördel, Churchill påpekar:"Det är tusentals eller tiotusentals gånger tunnare" än konventionella diodmaterial, "så att du skulle använda tusentals gånger mindre material" för att göra enheter av en given storlek.
Förutom dioderna som teamet har producerat, teamet har också använt samma metoder för att tillverka transistorer av p-typ och n-typ och andra elektroniska komponenter, säger Jarillo-Herrero. Sådana transistorer kan ha en betydande fördel i hastighet och strömförbrukning eftersom de är så tunna, han säger.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
