Subtila förändringar i tillväxttemperaturen förändrar formen av en fyrkomponentslegering skapad vid Rice University. Legeringen kan ställas in för att ändra dess optiska bandgap, som kan vara till nytta vid konstruktion av solceller och lysdioder. Kredit:Alex Kutana
Forskare från Rice University har upptäckt en tvådimensionell legering med ett optiskt bandgap som kan justeras av temperaturen som används för att odla den.
Materialforskaren Pulickel Ajayans rislabb odlade fyrkomponentslegeringen av övergångsmetaller molybden och volfram med kalkogener svavel och selen i en ugn för kemisk ångavsättning. De fann att temperaturförändringar gjorde subtila förändringar i hur atomer sattes ihop och förändrade också egenskaperna som avgör hur de absorberar och avger ljus.
Deras experiment byggdes på arbete av labbet av Rice teoretiske fysiker Boris Yakobson, som skapade mängder av modeller för att förutsäga hur olika kombinationer av de fyra elementen skulle fungera.
Processen bör vara av intresse för ingenjörer som vill göra mindre, mer effektiva enheter. Eftersom bandgapet faller inom det optiska området för det elektromagnetiska spektrumet, forskarna sa att solceller och lysdioder kan vara de första som gynnas.
Tidningen visas som en omslagsartikel i det aktuella numret av Avancerade material .
Teamet ledd av co-lead författaren och Rice-forskaren Alex Kutana genererade 152 slumpmässiga modeller av materialet som visade att bandgapet kunde ställas in från 1,62 till 1,84 elektronvolt genom att variera tillväxttemperaturen från 650 och 800 grader Celsius (1, 202 till 1, 472 grader Fahrenheit).
Risforskare har upptäckt en tvådimensionell, fyrkomponentslegering med ett optiskt bandgap som kan ställas in av temperaturen som används för att odla den via kemisk ångavsättning. En datormodellerad illustration finns i det aktuella numret av Avancerade material . Kredit:Illustration av Alex Kutana/Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA. Återges med tillstånd
Det experimentella teamet ledd av Sandhya Susarla gjorde och testade sedan de termodynamiskt stabila materialen i en ugn i 50-graders steg. Forskare vid Oak Ridge National Laboratory ledd av postdoktorn Jordan Hachtel producerade mikroskopbilder som identifierade och detaljerade positionen för varje atom i materialen.
"Labb har gjort 2D-material med två eller tre komponenter, men vi tror inte att någon har provat fyra, ", sade medförfattaren och Rice postdoktorala forskare Chandra Sekhar Tiwary. "Att ha fyra komponenter ger oss en extra grad av frihet. Med mindre material, varje justering du gör för att ändra bandgapet förvandlar det till ett annat material. Så är inte fallet här."
"Det vi har gjort borde vara mycket användbart, " lade Susarla till, en Rice-student. "För applikationer som solceller och lysdioder, du behöver ett material som har ett brett bandgap."
Tiwary sa att materialet kan ställas in för att täcka hela spektrumet av synligt ljus, från 400 till 700 nanometer våglängder. "Det är ett stort intervall vi kan täcka genom att bara ändra den här sammansättningen, " sa han. "Om vi väljer kompositionen rätt, vi kan träffa rätt bandgap eller rätt emissionspunkt."
"Dessa material är utan tvekan de viktigaste 2D-halvledarna på grund av deras utmärkta optoelektroniska egenskaper och låga kostnader, ", sade Kutana. "Våra högkapacitetsberäkningar tillät oss att undvika tidigare antaganden om hur legeringsbandgapet betedde sig. Det överraskande resultatet var hur regelbundna bandgapbytena var, vilket resulterar i optiska egenskaper som är både användbara och förutsägbara."
