Förmågan hos metalliska eller halvledande material att absorbera, reflektera och agera på ljus är av primär betydelse för forskare som utvecklar optoelektronik – elektroniska enheter som interagerar med ljus för att utföra uppgifter. Rice University-forskare har nu tagit fram en metod för att bestämma egenskaperna hos atomtunna material som lovar att förfina moduleringen och manipuleringen av ljus.

Tvådimensionella material har varit ett hett forskningsämne sedan grafen, ett platt gitter av kolatomer, identifierades 2001. Sedan dess har forskare har tävlat om att utveckla, antingen i teorin eller i labbet, nya 2D-material med en rad optiska, elektroniska och fysiska egenskaper.

Tills nu, de har saknat en heltäckande guide till de optiska egenskaper som dessa material erbjuder som ultratunna reflektorer, sändare eller absorbatorer.

Materialteoretikern Boris Yakobsons rislabb antog utmaningen. Yakobson och hans medförfattare, doktorand och huvudförfattare Sunny Gupta, postdoktorn Sharmila Shirodkar och forskaren Alex Kutana, använde toppmoderna teoretiska metoder för att beräkna de maximala optiska egenskaperna för 55 2D-material.

"Det viktiga nu när vi förstår protokollet är att vi kan använda det för att analysera vilket 2D-material som helst, " sa Gupta. "Detta är en stor beräkningsansträngning, men nu är det möjligt att utvärdera vilket material som helst på en djupare kvantitativ nivå."

Deras arbete, som visas denna månad i tidskriften American Chemical Society ACS Nano , specificerar monoskiktens transmittans, absorbans och reflektans, egenskaper som de gemensamt kallade TAR. På nanoskala, ljus kan interagera med material på unika sätt, som föranleder elektron-foton-interaktioner eller utlöser plasmoner som absorberar ljus vid en frekvens och sänder ut det i en annan.

Genom att manipulera 2D-material kan forskare designa allt mindre enheter som sensorer eller ljusdrivna kretsar. Men först hjälper det att veta hur känsligt ett material är för en viss våglängd av ljus, från infraröd till synliga färger till ultraviolett.

"Rent generellt, den vanliga visdomen är att 2D-material är så tunna att de borde verka som i huvudsak genomskinliga, med försumbar reflektion och absorption, " sa Yakobson. "Överraskande nog, vi fann att varje material har en uttrycksfull optisk signatur, med en stor del av ljus av en viss färg (våglängd) som absorberas eller reflekteras."

Medförfattarna förutser fotodetektions- och moduleringsanordningar och polariserande filter är möjliga tillämpningar för 2-D-material som har riktningsberoende optiska egenskaper. "Flerskiktsbeläggningar kan ge bra skydd mot strålning eller ljus, som från laser, " sa Shirodkar. "I det senare fallet, heterostrukturerade (flerskiktade) filmer—beläggningar av komplementära material—kan behövas. Större ljusintensiteter kan ge olinjära effekter, och redogörelse för dessa kommer säkerligen att kräva ytterligare forskning."

Forskarna modellerade 2D-stackar såväl som enkla lager. "Stackar kan bredda spektralområdet eller skapa ny funktionalitet, som polarisatorer, " Sa Kutana. "Vi kan tänka på att använda staplade heterostrukturmönster för att lagra information eller till och med för kryptografi."

Bland deras resultat, forskarna verifierade att högar av grafen och borofen är mycket reflekterande av mellaninfrarött ljus. Deras mest slående upptäckt var att ett material tillverkat av mer än 100 enatomslager av bor – som fortfarande bara skulle vara cirka 40 nanometer tjockt – skulle reflektera mer än 99 procent av ljuset från infrarött till ultraviolett, överträffar dopad grafen och bulksilver.

Det finns en sidofördel som också passar med Yakobsons konstnärliga känslighet. "Nu när vi känner till de optiska egenskaperna hos alla dessa material - färgerna de reflekterar och överför när de träffas av ljus - kan vi tänka på att göra Tiffany-stil målat glasfönster i nanoskala, sa han. Det skulle vara fantastiskt!