För första gången, forskare har skapat enstaka lager av ett naturligt förekommande sällsynt mineral som kallas volframit, eller WS ₂ . Det resulterande arket av staplade svavel- och volframatomer bildar ett bikakemönster av trianglar som har visat sig ha ovanligt ljusavgivande, eller fotoluminescerande, egenskaper. Enligt teamledaren Mauricio Terrones, en professor i fysik och i materialvetenskap och teknik vid Penn State, de triangulära strukturerna har potentiella tillämpningar inom optisk teknik; till exempel, för användning i ljusdetektorer och lasrar. Resultaten av forskningen kommer att publiceras i en tryckt upplaga av tidskriften Nanobokstäver .

Terrones förklarade att skapa monolager – enkla, en atomtjocka lager - är av speciellt intresse för forskare eftersom de kemiska egenskaperna hos mineraler och andra ämnen är kända för att förändras beroende på deras atomtjocklek, öppnar dörren för potentiellt användbara tillämpningar av flerskiktsmaterial av olika tjocklekar. I tidigare forskning, forskare hade åstadkommit bedriften att göra ett monolager av grafen - ett ämne som liknar grafit som finns i blyerts. "Tekniken dessa forskare använde var tråkig, men det funkade, " sa Terrones. "De tog i princip bort, eller exfolierad, grafen, lager på lager, med tejp, tills de kom ner till en enda atom med tjocklek."

Nu, för första gången, Terrones och hans team har använt en kontrollerad termisk reduktion-sulfuriseringsmetod - eller kemisk ångavsättning - för att åstadkomma samma bedrift med ett sällsynt mineral som kallas volframit. Forskarna började med att deponera små kristaller av volframoxid, som är mindre än en nanometer höga, och de passerade sedan kristallerna genom svavelånga vid 850 grader Celsius. Denna process ledde till individuella lager - eller ark - bestående av en atom i tjocklek. Den resulterande strukturen - kallad volframdisulfid - är ett bikakemönster av trianglar som består av volframatomer bundna med svavelatomer.

"En av de mest spännande egenskaperna hos volframdisulfidmonoskiktet är dess fotoluminescens, " sa Terrones. Terrones förklarade att fotoluminescens uppstår när ett ämne absorberar ljus vid en våglängd och återutsänder det ljuset vid en annan våglängd. Egenskapen för fotoluminescens förekommer även hos vissa bioluminescensartade djur som t ex sportfiskar och eldflugor. "En intressant upptäckt från vårt arbete är det faktum att vi ser den starkaste fotoluminescensen vid kanterna av trianglarna, precis där atomernas kemi förändras, med mycket mindre fotoluminescens som förekommer i mitten av trianglarna, ", sa Terrones. "Vi har också funnit att dessa nya monolager luminescerar vid rumstemperatur. Så inga speciella temperaturkrav behövs för att materialet ska uppvisa denna egenskap."

Medförfattare Vincent H. Crespi, Erkänd professor i fysik, Kemi, och materialvetenskap och teknik vid Penn State, Lagt till, "Bilderna av fotoluminescensen är vackra; trianglarna lyser upp runt deras kanter som små semesterprydnader - semesterprydnader med potentiellt transformativa, långtidsapplikationer inom nanooptik."

Forskningen har många potentiella tillämpningar inom områdena optisk ljusdetektion, tillverkning av lysdioder, och även laserteknik. Forskarna planerar också att prova kemisk ångavsättningsteknik för att odla innovativa monolager med andra skiktade material med potentiellt användbara tillämpningar.