Stress och påfrestning, tillämpas på rätt sätt, kan ibland ge fantastiska resultat.

Det är vad forskare, ledd av ett team vid UC Berkeleys institution för elektroteknik och datavetenskap, upptäckt om ett halvledarmaterial som växer fram - svart fosfor (BP) - som används för att göra två typer av optoelektroniska enheter:ljusdioder (lysdioder) och fotodetektorer.

Under mekanisk belastning, BP kan induceras att avge eller detektera infrarött (IR) ljus i ett antal önskvärda våglängder - 2,3 till 5,5 mikrometer, som sträcker sig över kort- till mellanvågs-IR- och för att göra det reversibelt vid rumstemperatur, enligt studieförfattarna Ali Javey, Lam Research Distinguished Chair i Semiconductor Processing och professor i elektroteknik, och postdoktor Hyungjin Kim. Javey är också en senior forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

Deras resultat är viktiga inte bara för förmågan att nå dessa våglängder, Javey och Kim sa:men att göra det stämningsfullt och i en enhet. Nuvarande teknik skulle kräva flera skrymmande enheter och olika halvledarmaterial för att uppnå liknande resultat.

De beskrev sina fynd i Natur .

Javey och Kim sa att möjligheten att använda ett bredare spektrum av IR -spektrum, inställbar inom en enhet, kan hjälpa till att möta den växande efterfrågan på applikationer inom optisk kommunikation, termisk avbildning, hälsoövervakning, spektroskopi, kemisk avkänning och mer. För att visa denna flexibilitet, forskarna använde en av sina nya enheter för att upptäcka flera gaser.

Det Berkeley-ledda teamet fann att användning av tunna lager av BP i optoelektroniska enheter och utsättning för dem i varierande grad av belastning resulterar i reversibelt justerbara utgångsvåglängder över ett oväntat stort område. Utgångsvåglängden för BP och andra halvledarmaterial är en egenskap som kallas bandgap.

Spektralområdet över vilket en optoelektronisk anordning kan fungera bestäms till stor del av bandgapet för dess halvledarmaterial. Olika metoder kan användas för att uppnå önskad driftvåglängd för en given applikation. Till exempel, legeringar - material med varierande sammansättning - och stam kan användas för att ställa in bandgapet. Även om dessa metoder verkligen är effektiva, de resulterar i enheter med fasta våglängder.

"I vårt arbete, vi kan aktivt ändra bandgapet för det svarta fosforet så att en enda fotodetektor eller LED kan ändra dess driftsvåglängder inom, ungefär, intervallet två till fem mikrometer, "Sa Kim.

"Vi kan gå fram och tillbaka så många gånger vi vill, "Kim sa om de reversibelt avstämbara våglängderna för BP -baserade enheter. De utnyttjar BP:s" magiska "egenskaper, han sa, specifikt, dess bandgap förändras under påfrestning, vilket är mycket större än de som observerats med konventionella halvledarmaterial.

"Det finns innovation i själva enheten, "Sa Javey, "men det material som vi använder, svart fosfor, har också i sig unika egenskaper [bandgap och känslighet för belastning], och vi kombinerar dessa två nyckelegenskaper. "

Svart fosfor är ett tvådimensionellt material som grafen. I en process som kallas exfoliering, forskare använder tejp för att lyfta nanometer-tunna lager av materialet, som sedan överförs till ett flexibelt polymersubstrat, i detta fall polyetylentereftalatglykol (PETG).

"Eftersom det är mekaniskt flexibelt, vi kan böja den till en önskad radie och kontrollerbart applicera belastning på BP, "Sa Kim. Det vill säga, böjning blir en effektiv vred för att modulera BP -bandgapet.

Verkligen, på grund av dess puckered gitter struktur, Kim sa, BP visar unika stamberoende egenskaper som, förutom bandgap, inkluderar avstämbar van der Waals -interaktion och piezoelektricitet. Stam kan appliceras på BP på ett reversibelt sätt på grund av dess tunna membrankaraktär, han sa.

I en applikation, forskarna använde en teknik som kallas icke-dispersiv IR-gasavkänning. Eftersom varje gas har sitt eget absorptionsband - det vill säga mängden ljus som den absorberar vid en specifik våglängd - en avstämbar IR -LED med tillräckligt utgående våglängdsområde kan detektera, till exempel, koldioxid utvisas av mänsklig andning. Det beror på att gasen absorberar ljus vid cirka 4,3 mikrometer, inom området 2,3 till 5,5 mikrometer. Andra gaser som kan detekteras med avstämbara BP -lysdioder inkluderar metan och vatten.

En applikation för BP -fotodetektorer kan vara värmeavbildning. Det kan användas, till exempel, i mörkerseende för att upptäcka alla exoterma värmekällor som människokroppar. Sådana avstämbara fotodetektorer skulle kunna selektiv värmeavbildning över ett intervall av IR -våglängder.

Ur material synvinkel, det finns ett stort intresse för att identifiera nya halvledare som är mer effektiva inom detta våglängdsområde, Sa Javey. "Det var då vi började titta på svart fosfor eftersom det redan var känt att ha en bandgap som överlappar med IR-mitten av våglängden. Därifrån tittade vi på hur vi kan bygga effektiva enheter som lysdioder och fotodetektorer med hjälp av detta material. Men vad är nytt här är avstämning - att du aktivt kan ställa in enheten med belastning över ett stort våglängdsområde. "

Går vidare, Javey sa, "Jag tror att detta enhetskoncept kan tillämpas på andra delar av spektrumet, kanske till och med tillverkar enheter som kan fungera i den synliga regimen. Det kan möjliggöra nya typer av skärmar, till exempel, om dessa koncept och material kan införlivas i en tillverkningsbar, skalbart sätt, med miniatyriserade elektromekaniska anordningar. "