Fysiker vid University of Kansas har tillverkat ett innovativt ämne från två olika atomskivor som sammankopplar ungefär som Lego-leksaksstenar. Forskarna sa att det nya materialet - gjort av ett lager av grafen och ett lager av volframdisulfid - skulle kunna användas i solceller och flexibel elektronik. Deras resultat publiceras idag av Naturkommunikation .

Hsin-Ying Chiu, biträdande professor i fysik och astronomi, och doktoranden Matt Bellus tillverkade det nya materialet med hjälp av "lager-för-lager montering" som en mångsidig bottom-up nanotillverkningsteknik. Sedan, Jiaqi He, en gäststudent från Kina, och Nardeep Kumar, en doktorand som nu har flyttat till Intel Corp., undersökte hur elektroner rör sig mellan de två lagren genom ultrasnabb laserspektroskopi i KU:s Ultrafast Laser Lab, övervakas av Hui Zhao, docent i fysik och astronomi.

"Att bygga konstgjorda material med synergistisk funktionalitet har varit en lång upptäcktsresa, " sa Chiu. "En ny klass av material, gjorda av skiktade material, har väckt stor uppmärksamhet ända sedan den snabba utvecklingen av grafenteknologin. En av de mest lovande aspekterna av denna forskning är potentialen att ta fram nästa generations material via atomlagernivåkontroll över dess elektroniska struktur."

Enligt forskarna, tillvägagångssättet är att designa synergistiska material genom att kombinera två enatomiga tjocka ark, till exempel, fungerar som en fotovoltaisk cell såväl som en ljusemitterande diod, omvandla energi mellan el och strålning. Dock, Att kombinera lager av tunt atomärt material är en svår uppgift som har gjort forskare oroliga i flera år.

"En stor utmaning med detta tillvägagångssätt är att de flesta material hänger inte ihop på grund av deras olika atomarrangemang vid gränssnittet – arrangemanget av atomerna kan inte följa de två olika uppsättningarna av regler samtidigt, ", sade Chiu. "Det här är som att leka med lego i olika storlekar som tillverkas av olika tillverkare. Som en konsekvens, nya material kan endast tillverkas av material med mycket liknande atomarrangemang, som ofta har liknande egenskaper, för. Även då, arrangemanget av atomer vid gränsytan är oregelbundet, vilket ofta resulterar i dåliga egenskaper."

Lagermaterial som de som utvecklats av KU-forskarna ger en lösning på detta problem. Till skillnad från konventionella material som bildas av atomer som är starkt bundna i alla riktningar, det nya materialet har två lager där varje atomskikt består av atomer som är starkt bundna till sina grannar – men de två atomskikten är själva endast svagt länkade till varandra av den så kallade van der Waals-kraften, samma attraktiva fenomen mellan molekyler som gör att geckos fastnar på väggar och tak.

"Det finns cirka 100 olika typer av skiktade kristaller - grafit är ett välkänt exempel, " sa Bellus. "På grund av den svaga mellanskiktsanslutningen, man kan välja vilka två typer av atomplåt som helst och lägga den ena ovanpå den andra utan problem. Det är som att spela legos med platt botten. Det finns ingen begränsning. Detta tillvägagångssätt kan potentiellt producera ett stort antal nya material med kombinerade nya egenskaper och förvandla materialvetenskapen."

Chiu och Bellus skapade det nya kol- och volframdisulfidmaterialet i syfte att utveckla nya material för effektiva solceller. Det enda arket av kolatomer, känd som grafen, utmärker sig på att flytta runt elektroner, medan ett enda lager av volframdisulfidatomer är bra på att absorbera solljus och omvandla det till elektricitet. Genom att kombinera de två, detta innovativa material kan potentiellt utföra båda uppgifterna väl.

Teamet använde tejp för att lyfta ett enda lager volframdisulfidatomer från en kristall och applicera den på ett kiselsubstrat. Nästa, de använde samma procedur för att ta bort ett enda lager av kolatomer från en grafitkristall. Med ett mikroskop, de lade exakt grafenen ovanpå volframdisulfidlagret. För att ta bort eventuellt lim mellan de två atomskikten som oavsiktligt införs under processen, materialet värmdes till cirka 500 grader Fahrenheit under en halvtimme. Detta gjorde att kraften mellan de två lagren kunde pressa ut limmet, vilket resulterar i ett prov av två atomärt tunna lager med en ren gränsyta.

Doktorander Han och Kumar testade det nya materialet i KU:s Ultrafast Laser Lab. Forskarna använde en laserpuls för att excitera volframdisulfidskiktet.

"Vi fann att nästan 100 procent av elektronerna som absorberade energin från laserpulsen går från volframdisulfid till grafen inom en pikosekund, eller en miljondels en miljondels sekund, ", sade Zhao. "Detta bevisar att det nya materialet verkligen kombinerar de goda egenskaperna hos varje komponentlager."

Forskargrupperna som leds av Chiu och Zhao försöker tillämpa denna Lego-metod på andra material. Till exempel, genom att kombinera två material som absorberar ljus av olika färger, de kan göra material som reagerar på olika delar av solspektrumet.