2D-ark skär och vrider sig ovanpå varandra, modifiering av materialens energilandskap. Kredit:Ventsislav Valev
1884, Edwin Abbott skrev romanen Flatland:A Romance in Many Dimensions som en satir över viktoriansk hierarki. Han föreställde sig en värld som bara existerade i två dimensioner, där varelserna är 2D geometriska figurer. Fysiken i en sådan värld är något liknande den för moderna 2D-material, såsom grafen och dikalkogenider av övergångsmetall, som inkluderar volframdisulfid (WS 2 ), volframdiselenid (WSe 2 ), molybdendisulfid (MoS 2 ) och molybdendiselenid (MoSe 2 ).
Moderna 2D-material består av enatomslager, där elektroner kan röra sig i två dimensioner men deras rörelse i den tredje dimensionen är begränsad. På grund av denna "klämning", 2D-material har förbättrade optiska och elektroniska egenskaper som visar mycket lovande som nästa generations, ultratunna enheter inom energiområdet, kommunikation, bildbehandling och kvantberäkning, bland andra.
Vanligtvis, för alla dessa applikationer, 2D-materialen föreställs i platt liggande arrangemang. Tyvärr, dock, styrkan hos dessa material är också deras största svaghet – de är extremt tunna. Detta betyder att när de är upplysta, ljus kan interagera med dem endast över en liten tjocklek, vilket begränsar deras användbarhet. För att övervinna denna brist, forskare börjar leta efter nya sätt att vika 2D-material till komplexa 3D-former.
I vårt 3D-universum, 2D-material kan placeras ovanpå varandra. För att utöka Flatland-metaforen, ett sådant arrangemang skulle bokstavligen representera parallella världar bebodda av människor som är bestämt att aldrig träffas.
Nu, forskare från institutionen för fysik vid University of Bath i Storbritannien har hittat ett sätt att ordna 2D-ark av WS 2 (tidigare skapad i deras labb) till en 3D-konfiguration, vilket resulterar i ett energilandskap som är kraftigt modifierat jämfört med det för den planläggande WS 2 lakan. Detta speciella 3D-arrangemang är känt som en "nanomesh":ett webbnät av tätt packade, slumpmässigt fördelade högar, innehållande vriden och/eller smält WS 2 lakan.
Modifieringar av detta slag i Flatland skulle göra det möjligt för människor att kliva in i varandras världar. "Vi gav oss inte ut för att plåga invånarna i Flatland, " sa professor Ventsislav Valev som ledde forskningen, "Men på grund av de många defekterna som vi nanokonstruerade i 2D-materialen, dessa hypotetiska invånare skulle verkligen tycka att deras värld är ganska märklig.
"Först, våra WS2-ark har ändliga dimensioner med oregelbundna kanter, så att deras värld skulle få ett märkligt format slut. Också, några av svavelatomerna har ersatts av syre, vilket skulle kännas helt fel för vilken invånare som helst. Viktigast, våra ark korsar varandra och smälter samman, och till och med vrida sig ovanpå varandra, som modifierar materialens energilandskap. För flatlänningarna, en sådan effekt skulle se ut som att universums lagar plötsligt hade förändrats över hela deras landskap."
Dr Adelina Ilie, som utvecklade det nya materialet tillsammans med sin tidigare Ph.D. student och post-doc Zichen Liu, sa:"Det modifierade energilandskapet är en nyckelpunkt för vår studie. Det är ett bevis på att montering av 2D-material till ett 3D-arrangemang inte bara resulterar i "tjockare" 2D-material – det producerar helt nya material. Vår nanomesh är tekniskt enkel att producera , och det erbjuder inställbara materialegenskaper för att möta kraven från framtida applikationer."
Professor Valev tillade:"Nanomesh har mycket starka olinjära optiska egenskaper - den omvandlar effektivt en laserfärg till en annan över en bred palett av färger. Vårt nästa mål är att använda den på Si-vågledare för att utveckla kvantoptisk kommunikation."
Ph.D. student Alexander Murphy, också involverad i forskningen, sa:"För att avslöja det modifierade energilandskapet, vi tog fram nya karaktäriseringsmetoder och jag ser fram emot att tillämpa dessa på andra material. Vem vet vad mer vi kan upptäcka?"
