Att hitta nya halvledarmaterial som avger ljus är avgörande för att utveckla ett brett utbud av elektroniska enheter. Men att göra konstgjorda strukturer som avger ljus skräddarsydda för våra specifika behov är ett ännu mer attraktivt förslag. Dock, ljusemission i en halvledare sker endast när vissa villkor är uppfyllda. I dag, forskare från universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, i samarbete med University of Manchester, har upptäckt en hel klass av tvådimensionella material som är tjocka av en eller några få atomer. När de kombineras, dessa atomärt tunna kristaller kan bilda strukturer som avger anpassningsbart ljus i önskad färg. Denna forskning, publiceras i tidskriften Naturmaterial , markerar ett viktigt steg mot den framtida industrialiseringen av tvådimensionella material.

halvledarmaterial som kan avge ljus används inom så olika sektorer som telekommunikation, ljusemitterande enheter (LED) och medicinsk diagnostik. Ljusemission uppstår när en elektron hoppar inuti halvledaren från en högre energinivå till en lägre nivå. Det är skillnaden i energi som avgör färgen på det utsända ljuset. För att ljus ska produceras, elektronens hastighet före och efter hoppet måste vara exakt densamma, ett tillstånd som beror på det specifika halvledande materialet som beaktas. Endast vissa halvledare kan användas för ljusemission:t.ex. kisel – som används för att tillverka våra datorer – kan inte användas för tillverkning av lysdioder.

"Vi frågade oss själva om tvådimensionella material kunde användas för att göra strukturer som avger ljus med önskad färg, " förklarar Alberto Morpurgo, en professor vid institutionen för kvantmateriens fysik, vid UNIGE-naturvetenskapliga fakulteten. Tvådimensionella material är perfekta kristaller som, som grafen, är en eller några få atomer tjocka. Tack vare de senaste tekniska framstegen, olika tvådimensionella material kan staplas ovanpå varandra för att bilda konstgjorda strukturer som beter sig som halvledare. Fördelen med dessa "konstgjorda halvledare" är att energinivåerna kan styras genom att välja den kemiska sammansättningen och tjockleken på materialen som utgör strukturen.

"Artificiella halvledare av detta slag tillverkades för första gången för bara två eller tre år sedan, " förklarar Nicolas Ubrig, en forskare i teamet ledd av professor Morpurgo. "När de tvådimensionella materialen har exakt samma struktur och deras kristaller är perfekt inriktade, denna typ av konstgjorda halvledare kan avge ljus. Men det är väldigt sällsynt." Dessa villkor är så strikta att de lämnar liten frihet att kontrollera ljuset som sänds ut.

Anpassat ljus

"Vårt mål var att lyckas kombinera olika tvådimensionella material för att avge ljus samtidigt som vi var fria från alla begränsningar, " fortsätter professor Morpurgo. Fysikerna trodde att, om de kunde hitta en klass av material där elektronernas hastighet före och efter förändringen i energinivån var noll, det skulle vara ett idealiskt scenario som alltid skulle uppfylla villkoren för ljusemission, oberoende av detaljerna i kristallgittren och deras relativa orientering.

Ett stort antal kända tvådimensionella halvledare har en nollelektronhastighet i de relevanta energinivåerna. Tack vare denna mångfald av föreningar, många olika material kan kombineras, och varje kombination är en ny konstgjord halvledare som avger ljus av en specifik färg. "När vi fick idén, det var lätt att hitta material som skulle användas för att implementera det, ", tillägger professor Vladimir Fal'ko från University of Manchester. Material som användes i forskningen inkluderade olika övergångsmetalldikalkogenider (som MoS2, MoSe2 och WS2) och InSe. Andra möjliga material har identifierats och kommer att vara användbara för att bredda färgintervallet för ljuset som emitteras av dessa nya konstgjorda halvledare.

Skräddarsytt ljus för massindustrialisering

"Den stora fördelen med dessa 2D-material, tack vare det faktum att det inte längre finns några förutsättningar för emission av ljus, är att de ger nya strategier för att manipulera ljuset som vi tycker är lämpligt, med energin och färgen som vi vill ha, " fortsätter Ubrig. Detta innebär att det är möjligt att utforma framtida tillämpningar på industriell nivå, eftersom det utsända ljuset är robust och det inte längre finns något behov av att oroa sig för atomernas inriktning.