Ett forskarlag vid Worcester Polytechnic Institute (WPI) har utvecklat en revolutionerande, ljusaktiverat halvledar nanokompositmaterial som kan användas i en mängd olika applikationer, inklusive mikroskopiska ställdon och gripdon för kirurgiska robotar, ljusdrivna mikrospeglar för optiska telekommunikationssystem, och effektivare solceller och fotodetektorer.
"Detta är ett nytt vetenskapsområde, sa Balaji Panchapakesan, docent i maskinteknik vid WPI och huvudförfattare till en artikel om det nya materialet publicerat i Vetenskapliga rapporter , en open access-tidskrift från förlagen av Natur . "Väldigt få material kan omvandla fotoner direkt till mekanisk rörelse. I denna artikel, vi presenterar det första halvledarnanokompositmaterialet som är känt för att göra det. Det är ett fascinerande material som också kännetecknas av sin höga hållfasthet och sin förbättrade optiska absorption när det utsätts för mekanisk påfrestning.
"Små gripdon och ställdon gjorda med detta material kan användas på Mars rovers för att fånga upp fina dammpartiklar." Panchapakesan noterade. "De kunde färdas genom blodomloppet på små robotar för att fånga cancerceller eller ta små vävnadsprover. Materialet skulle kunna användas för att göra mikromanöverdon för att rotera speglar i optiska telekommunikationssystem; de skulle arbeta strikt med ljus, och skulle inte kräva någon annan strömkälla."
Liksom andra halvledarmaterial, molybdendisulfid, materialet som beskrivs i Vetenskapliga rapporter papper ("Chromatic Mechanical Response in 2-D Layered Transition Metal Dichalcogenide (TMD)-baserade nanokompositer"), kännetecknas av hur elektroner är ordnade och rör sig inom dess atomer. Särskilt, elektroner i halvledare kan endast röra sig från en grupp av yttre orbitaler som kallas valensbandet till en annan grupp orbitaler som kallas ledningsbandet när de exciteras tillräckligt av en energikälla, som ett elektromagnetiskt fält eller fotonerna i en ljusstråle. Att korsa "bandgapet, "elektronerna skapar ett flöde av elektricitet, vilket är principen som möjliggör datachips och solceller.
När de negativt laddade elektronerna rör sig mellan orbitaler, de lämnar efter sig positivt laddade tomrum som kallas hål. Ett par av en bunden elektron och ett elektronhål kallas en exciton.
I sina experiment, Panchapakesan och hans team, som inkluderade doktorander Vahid Rahneshin och Farhad Khosravi, såväl som kollegor vid University of Louisville och University of Warszawa Pasteura, observerade att atomorbitalerna för molybden och svavelatomer i molybdendisulfid är arrangerade på ett unikt sätt som tillåter excitoner inom ledningsbandet att interagera med vad som är känt som svavelatomernas p-orbitaler. Denna "excitonresonans" bidrar till de starka sigmabindningarna som ger den tvådimensionella arrayen av atomer i molybdensulfid dess extraordinära styrka. Styrkan i denna resonans är också ansvarig för en unik effekt som kan generera värme i materialet. Det är värmen som ger upphov till materialets kromatiska (ljusinducerade) mekaniska respons.
För att dra nytta av det senare fenomenet, Panchapakesans team skapade tunna filmer som består av bara ett till tre lager av molybdendisulfid inkapslade i lager av en gummiliknande polymer. De exponerade dessa nanokompositer för olika våglängder av ljus och fann att värmen som genererades som ett resultat av excitonresonansen fick polymeren att expandera och dra ihop sig, beroende på ljusets våglängd. I tidigare arbeten, Panchapakesans team utnyttjade detta fotomekaniska svar genom att tillverka små gripdon som öppnas och stängs som svar på ljuspulser. Griparna kan fånga plastpärlor storleken på en enda mänsklig cell.
I ytterligare tester, Panchapakesan och hans team upptäckte ett annat unikt beteende hos molybdendisulfidkompositen som öppnar dörren till en annan uppsättning applikationer. Använder det som kallas strain engineering, de sträckte ut materialet och upptäckte att mekaniska påfrestningar ökade dess förmåga att absorbera ljus.
"Detta är något som inte kan göras med konventionella tunnfilmshalvledare, " Panchapakesan sa, "för när du sträcker dem, de kommer att gå sönder i förtid. Men med sin unika materialstyrka, molybdendisulfid kan sträckas. Och dess ökade optiska absorption under belastning gör den till en bra kandidat för effektivare solceller, fotodetektorer, och detektorer för värme- och infraröda kameror.
"Excitonresonansen, fotomekanisk respons, och ökad optisk absorption under belastning gör detta till ett extraordinärt material och ett spännande ämne för vidare undersökning, " han lade till.
