Under det senaste decenniet, tvådimensionell, 2-D, material har fångat fascinationen hos ett ständigt ökande antal forskare. Dessa material, vars kännetecken är att ha en tjocklek av endast en till mycket få atomer, kan göras av en mängd olika element eller kombinationer därav. Forskarnas förtrollning med 2D-material började med Andre Geim och Konstantin Novoselovs nobelprisvinnande experiment:att skapa ett 2D-material med hjälp av en grafitklump och vanlig tejp. Detta genialiskt enkla experiment gav ett otroligt material:grafen. Detta ultralätta material är ungefär 200 gånger starkare än stål och är en utmärkt ledare. När forskare upptäckte att grafen hade mer imponerande egenskaper än dess bulkkomponent grafit, de bestämde sig för att undersöka andra 2D-material för att se om detta var en universell egenskap.

Christopher Petoukhoff, en doktorand vid Rutgers University som arbetar i Femtosecond Spectroscopy Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), studerar ett 2D-material, tillverkad av molybdendisulfid (MoS2). Hans forskning fokuserar på 2D-materialets optoelektroniska tillämpningar, eller hur materialet kan upptäcka och absorbera ljus. Optoelektronik finns överallt i dagens värld, från fotodetektorerna i automatiska dörrar och handtorkar, till solceller, till LED-lampor, men som alla som har stått framför ett automatiskt handfat och desperat viftat runt med händerna för att få det att fungera kommer att säga dig, det finns gott om utrymme för förbättringar. 2-D MoS2 är särskilt intressant för användning i fotodetektorer på grund av dess förmåga att absorbera samma mängd ljus som 50nm av de för närvarande använda kiselbaserade teknologierna, samtidigt som den är 70 gånger tunnare.

Petoukhoff, under överinseende av professor Keshav Dani, strävar efter att förbättra optoelektroniska enheter genom att lägga till ett 2D-lager av MoS2 till en organisk halvledare, som har liknande absorptionsstyrkor som MoS2. Teorin bakom att använda båda materialen är att interaktionen mellan MoS2-skiktet och den organiska halvledaren ska leda till effektiv laddningsöverföring. Petoukhoffs forskning, publiceras i ACS Nano , visar för första gången att laddningsöverföring mellan dessa två lager sker på en ultrasnabb tidsskala, i storleksordningen mindre än 100 femtosekunder, eller en tiondel av en miljondel av en miljondels sekund.

Tunnheten hos dessa material, dock, blir en begränsande faktor för deras effektivitet som solceller, eller ljusenergiomvandlingsanordningar. Ljusabsorberande anordningar, som solceller och fotodetektorer, kräver en viss mängd optisk tjocklek för att absorbera fotoner, snarare än att låta dem passera. För att övervinna detta, forskare från Femtosecond Spectroscopy Unit lade till en rad silvernanopartiklar, eller en plasmonisk metayta, till den organiska halvledar-MoS2-hybriden för att fokusera och lokalisera ljuset i enheten. Tillägget av metaytan ökar den optiska tjockleken på materialet samtidigt som man drar nytta av de unika egenskaperna hos det ultratunna aktiva lagret, vilket i slutändan ökar den totala absorptionen.

Även om denna forskning fortfarande är i sin linda, dess konsekvenser för framtiden är enorma. Kombinationer med 2D-material har potential att revolutionera säljbarheten av optoelektroniska enheter. Konventionella optoelektroniska enheter är dyra att tillverka och är ofta gjorda av knappa eller giftiga ämnen, såsom indium eller arsenik. Organiska halvledare har låga tillverkningskostnader, och är gjorda av jordnära och giftfria element. Denna forskning kan potentiellt förbättra kostnaderna och effektiviteten för optoelektronik, leder till bättre produkter i framtiden.