Genom att skikta olika tvådimensionella material, fysiker vid universitetet i Basel har skapat en ny struktur med förmågan att absorbera nästan allt ljus av en vald våglängd. Prestationen bygger på ett dubbelt lager av molybdendisulfid. Den nya strukturens speciella egenskaper gör den till en kandidat för tillämpningar i optiska komponenter eller som en källa för individuella fotoner, som spelar en nyckelroll i kvantforskningen. Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik .

Nya tvådimensionella material är för närvarande ett hett forskningsämne runt om i världen. Av särskilt intresse är van der Waals heterostrukturer, som är uppbyggda av individuella lager av olika material som hålls samman av van der Waals krafter. Samspelet mellan de olika lagren kan ge det resulterande materialet helt nya egenskaper.

Dubbla lager låser upp avgörande egenskaper

Det finns redan van der Waals heterostrukturer som absorberar upp till 100 procent av ljuset. Enkelskikt av molybdendisulfid erbjuder absorptionsförmåga i detta intervall. När ljus absorberas, en elektron lämnar sin ursprungliga position i valensbandet, lämnar efter sig ett positivt laddat hål. Elektronen rör sig till en högre energinivå, känt som ledningsbandet, där den kan röra sig fritt.

Det resulterande hålet och elektronen attraheras till varandra i enlighet med Coulombs lag, ger upphov till bundna elektron-hålpar som förblir stabila vid rumstemperatur. Dock, med enkelskiktad molybdendisulfid finns det inget sätt att kontrollera vilka ljusvåglängder som absorberas. "Det är först när ett andra lager av molybdendisulfid tillsätts som vi får avstämning, en väsentlig egenskap för tillämpningsändamål, " förklarar professor Richard Warburton vid University of Basel's Department of Physics and Swiss Nanoscience Institute.

Absorption och tunbarhet

Arbetar i nära samarbete med forskare i Frankrike, Warburton och hans team har lyckats skapa en sådan struktur. Fysikerna använde ett dubbelt lager av molybdendisulfid inklämt mellan en isolator och den elektriska ledaren grafen på varje sida.

"Om vi ​​lägger en spänning på de yttre grafenskikten, detta genererar ett elektriskt fält som påverkar absorptionsegenskaperna hos de två molybdendisulfidskikten, " förklarar Nadine Leisgang, en doktorand i Warburtons team och huvudförfattare till studien. "Genom att justera den applicerade spänningen, vi kan välja de våglängder vid vilka elektron-hål-paren bildas i dessa lager."

Richard Warburton tillägger, "Denna forskning kan bana väg för ett nytt tillvägagångssätt för att utveckla optoelektroniska enheter som modulatorer." Modulatorer används för att selektivt ändra en signals amplitud. En annan potentiell tillämpning är att generera individuella fotoner, med viktiga konsekvenser för kvantteknologin.