Forskare vid UConns Institute of Materials Science förbättrade avsevärt prestandan hos ett atomärt tunt halvledarmaterial genom att sträcka det, en prestation som kan visa sig vara fördelaktig för ingenjörer som designar nästa generation av flexibel elektronik, nano-enheter, och optiska sensorer.

I en studie som visas i forskningstidskriften Nanobokstäver , Michael Pettes, biträdande professor i maskinteknik, rapporterar att ett sexatoms tjockt dubbelskikt av volframdiselenid uppvisade en 100-faldig ökning av fotoluminescens när det utsattes för påkänning. Materialet hade aldrig uppvisat sådan fotoluminescens tidigare.

Fynden markerar första gången forskare har kunnat slutgiltigt visa att egenskaperna hos atomärt tunna material kan manipuleras mekaniskt för att förbättra deras prestanda, säger Pettes. Sådana möjligheter kan leda till snabbare datorprocessorer och effektivare sensorer.

Processen som forskarna använde för att uppnå resultatet är också betydelsefull eftersom den erbjuder en tillförlitlig ny metod för att mäta effekten av belastning på ultratunna material, något som varit svårt att göra och ett hinder för innovation.

"Experiment som involverar töjning kritiseras ofta eftersom belastningen som dessa atomärt tunna material upplever är svår att fastställa och ofta spekuleras som felaktig, " säger Pettes. "Vår studie ger en ny metodik för att utföra töjningsberoende mätningar av ultratunna material, och detta är viktigt eftersom stam förutspås erbjuda storleksordningsförändringar i egenskaperna hos dessa material inom många olika vetenskapliga områden."

Forskare har fascinerats av potentialen hos atomärt tunna material ända sedan forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov framgångsrikt klyvde ett enatoms tjockt lager av grafen från en bit grafit 2004. Anses som ett supermaterial för sin enastående styrka, flexibilitet, och förmåga att leda elektricitet, tvådimensionell grafen förvandlade elektronikindustrin och gav forskarna ett Nobelpris.

Men trots allt det erbjuder, grafen har sina begränsningar. Det är en dålig halvledare eftersom den saknar ett elektronbandgap i sin inre struktur. Som ett resultat, elektroner är obehindrade och strömmar snabbt genom den när materialet är strömsatt. De bästa halvledarmaterialen, som kisel, har ett stort bandgap som gör att ett flöde av elektroner kan slås på och av. Den förmågan är avgörande för att skapa strängarna av nollor och ettor som utgör de binära beräkningskoderna som används i transistorer och integrerade kretsar.

Materialforskare undersöker potentialen hos andra tvådimensionella och atomärt tunna material i hopp om att hitta produkter som är överlägsna grafen och kisel.

Töjningsteknik har diskuterats som ett möjligt sätt att förbättra prestandan hos dessa material, eftersom deras ultratunna struktur gör dem särskilt känsliga för böjning och sträckning, till skillnad från deras större tredimensionella bulkformer. Men att testa effekten av påfrestningar på material som bara är några få atomer tjocka har visat sig oerhört svårt.

I föreliggande studie, Pettes och Wei Wu, en Ph.D. student i Pettes labb och studiens huvudförfattare, kunde framgångsrikt mäta påverkan av spänning på ett enda kristallint dubbelskikt av volframdiselenid genom att först kapsla in det i ett fint lager av akrylglas och sedan värma det i en argongaskammare. (Exponering för luft skulle förstöra provet). Denna termiska bearbetning stärkte materialets vidhäftning till ett polymersubstrat, möjliggör en nästan perfekt överföring av applicerad belastning, vilket har varit svårt att uppnå i tidigare experiment.

Gruppen anpassade sedan en böjningsanordning som gjorde det möjligt för dem att noggrant öka belastningen på materialet samtidigt som de övervakade hur det reagerade genom en Horiba Multiline Raman Spectrometer vid Harvard Center for Nanoscale Systems, en delad användaranläggning finansierad av National Science Foundation.

Det var ett spännande ögonblick.

"Vår nya metod gjorde det möjligt för oss att applicera ungefär två gånger mer påfrestning på 2D-materialet än någon tidigare studie har rapporterat, " säger Pettes. "I huvudsak, vi var på nytt territorium."

I sista hand, forskarna fann att ökande belastningar på materialet förändrade dess elektronflöde, vilket återspeglades av den ökade intensiteten i fotoluminescens.

Arbetar med datormodelleringsexperten Avinash Dongare, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid UConn, och tidigare Ph.D. student Jin Wang, teamet kunde visa att deras process kunde, teoretiskt sett, manipulera bandgapet av volframdiselenid och andra atomärt tunna material, vilket är oerhört viktigt för designingenjörer som söker snabbare och effektivare halvledare och sensorer. Att manipulera en halvledare med ett indirekt bandgap mycket nära övergången till ett direkt bandgap kan leda till extremt snabba bearbetningsmöjligheter.

"Detta är första gången som yttre kontroll över en indirekt-till-direkt elektronbandgapövergång slutgiltigt har rapporterats, " säger Pettes. "Våra resultat bör tillåta beräkningsforskare som använder artificiell intelligens för att designa nya material med extremt töjningsbeständiga eller belastningskänsliga strukturer. Det är oerhört viktigt för nästa generation av högpresterande flexibel nanoelektronik och optoelektroniska enheter."