2010, Nobelpriset i fysik gick till upptäckarna av grafen. Ett enda lager av kolatomer, grafen har egenskaper som är idealiska för en mängd applikationer. Bland forskare, grafen har varit det hetaste materialet i ett decennium. Bara under 2017 mer än 30, 000 forskningsartiklar om grafen publicerades över hela världen.

Nu, två forskare från University of Kansas, Professor Hui Zhao och doktorand Samuel Lane, både vid institutionen för fysik och astronomi, har kopplat ihop ett grafenlager med två andra atomlager (molybdendiselenid och volframdisulfid) och därmed förlängt livslängden för exciterade elektroner i grafen med flera hundra gånger. Fyndet kommer att publiceras på Nano Futures, en nystartad och mycket selektiv tidskrift.

Arbetet på KU kan påskynda utvecklingen av ultratunna och flexibla solceller med hög effektivitet.

För elektroniska och optoelektroniska tillämpningar, grafen har utmärkt laddningstransportegenskap. Enligt forskarna, elektroner rör sig i grafen med en hastighet av 1/30 av ljusets hastighet - mycket snabbare än andra material. Detta kan tyda på att grafen kan användas för solceller, som omvandlar energi från solljus till elektricitet. Men grafen har en stor nackdel som hindrar sådana tillämpningar – dess ultrakorta livslängd för exciterade elektroner (det vill säga, den tid en elektron förblir rörlig) av endast cirka en pikosekund (en miljondels av en miljondels sekund, eller 10 ^-12 andra).

"Dessa upphetsade elektroner är som elever som reser sig från sina platser - efter en energidryck, till exempel, som aktiverar elever som solljus aktiverar elektroner, " sa Zhao. "De energiska eleverna rör sig fritt i klassrummet - som mänsklig elektrisk ström."

KU-forskaren sa att en av de största utmaningarna för att uppnå hög effektivitet i solceller med grafen som arbetsmaterial är att frigjorda elektroner – eller, de stående eleverna – har en stark tendens att tappa energin och bli orörliga, som studenter som sitter tillbaka.

"Antalet elektroner, eller elever från vårt exempel, vem som kan bidra till strömmen bestäms av den genomsnittliga tid de kan vara rörliga efter att de blivit befriade av ljus, " sa Zhao. "I grafen, en elektron förblir fri i endast en pikosekund. Detta är för kort för att ackumulera ett stort antal mobila elektroner. Detta är en inneboende egenskap hos grafen och har varit en stor begränsande faktor för att applicera detta material i fotovoltaiska eller fotoavkännande enheter. Med andra ord, även om elektroner i grafen kan bli rörliga genom ljusexcitation och kan röra sig snabbt, de är bara mobila för kort tid för att bidra till el."

I deras nya tidning, Zhao och Lane rapporterar att detta problem skulle kunna lösas genom att använda de så kallade van der Waals-materialen. Principen för deras tillvägagångssätt är ganska enkel att förstå.

"Vi tog i princip bort stolarna från de stående eleverna så att de inte har någonstans att sitta, ", sade Zhao. "Detta tvingar elektronerna att förbli rörliga under en tid som är flera hundra gånger längre än tidigare."

För att uppnå detta mål, arbetar i KU:s Ultrafast Laser Lab, de designade ett treskiktsmaterial genom att lägga enkla lager av MoSe ₂ , WS ₂ och grafen ovanpå varandra.

"Vi kan tänka på MoSe ₂ och grafenlager som två klassrum fulla av elever som alla sitter, medan mitten WS ₂ lager fungerar som en hall som skiljer de två rummen åt, " sa Zhao. "När ljus träffar provet, några av elektronerna i MoSe2 frigörs. De får gå över WS2-lagerhallen för att komma in i det andra rummet, som är grafen. Dock, korridoren är noggrant utformad så att elektronerna måste lämna sina platser i MoSe ₂ . En gång i grafen, de har inget annat val än att hålla sig rörliga och därmed bidra till elektriska strömmar, eftersom deras platser inte längre är tillgängliga för dem."

För att visa att idén fungerar, KU-forskarna använde en ultrakort laserpuls (0,1 pikosekund) för att frigöra några av elektronerna i MoSe ₂ . Genom att använda en annan ultrakort laserpuls, de kunde övervaka dessa elektroner när de flyttade till grafen. De fann att dessa elektroner rör sig genom "korridoren" på cirka 0,5 pikosekund i genomsnitt. De förblir sedan rörliga i cirka 400 pikosekunder – en 400-faldig förbättring än ett enda lager grafen, vilket de också mätte i samma studie.

Forskarna bekräftar också "platser" kvar i MoSe ₂ även vara ledig under samma tid. I den klassiska världen, dessa platser borde stå tomma för alltid. Inom kvantmekaniken, dock, elektronerna "tunnel" tillbaka till dessa säten. Forskarna föreslår att denna process bestämde livslängden för de mobila elektronerna. Så, genom att välja olika "hall"-lager, denna tid kan styras för olika applikationer.