Nya möjligheter för framtida utvecklingar inom elektroniska och optiska enheter har låsts upp av de senaste framstegen inom tvådimensionella (2-D) material, enligt Penn State-forskare.

Forskarna, ledd av Shengxi Huang, biträdande professor i elektroteknik och biomedicinsk teknik vid Penn State, publicerade nyligen resultaten av två separata men relaterade upptäckter angående deras framgång med att förändra de tunna 2D-materialen för tillämpningar i många optiska och elektroniska enheter. Genom att förändra materialet på två olika sätt - atomiskt och fysiskt - kunde forskarna förbättra ljusemissionen och öka signalstyrkan, utökar gränserna för vad som är möjligt med enheter som är beroende av dessa material.

I den första metoden, forskarna modifierade materialens atomära sammansättning. I vanliga 2D-material, forskare litar på interaktionen mellan de tunna lagren, känd som van der Waals mellanskiktskoppling, för att skapa laddningsöverföring som sedan används i enheter. Dock, denna mellanskiktskoppling är begränsad eftersom laddningarna traditionellt är fördelade jämnt på de två sidorna av varje lager.

För att stärka kopplingen, forskarna skapade en ny typ av 2D-material som kallas Janus transition metal dichalcogenides genom att ersätta atomer på ena sidan av lagret med en annan typ av atomer, skapa ojämn fördelning av avgiften.

"Denna [atomförändring] betyder att laddningen kan fördelas ojämnt, " sa Huang. "Det skapar ett elektriskt fält i planet, och kan attrahera olika molekyler på grund av det, som kan öka ljusemissionen."

Också, om van der Waals mellanskiktskoppling kan ställas in till rätt nivå genom att vrida lager med en viss vinkel, det kan inducera supraledning, medför konsekvenser för framsteg inom elektroniska och optiska enheter.

I den andra metoden att ändra 2D-material för att förbättra deras kapacitet, forskarna stärkte signalen som resulterade från en energiuppkonverteringsprocess genom att ta ett lager av MoS2, ett vanligt 2D-material som vanligtvis är platt och tunt, och rulla den till en ungefär cylindrisk form.

Energiomvandlingsprocessen som äger rum med MoS2-materialet är en del av en olinjär optisk effekt där, om ett ljus lyser in i ett föremål, frekvensen fördubblas, det är där energiomvandlingen kommer in.

"Vi vill alltid dubbla frekvensen i den här processen, " sa Huang. "Men signalen är vanligtvis väldigt svag, så att förbättra signalen är mycket viktigt."

Genom att rulla materialet, forskarna uppnådde en mer än 95 gånger signalförbättring.

Nu, Huang planerar att sätta ihop dessa två framsteg.

"Nästa steg för vår forskning är att svara på hur vi kan kombinera atomteknik och formteknik för att skapa bättre optiska enheter, " Hon sa.

En artikel om forskningen av atomstrukturen, "Förbättring av van der Waals mellanlagerkoppling genom Polar Janus MoSSe, " publicerades nyligen i Journal of the American Chemical Society (ACS). Uppsatsen om forskningen kring att rulla materialen, "Chirality-beroende andra harmoniska generationen av MoS2Nanoscroll med förbättrad effektivitet, " publicerades nyligen i ACS Nano .