Grafen är ett material tillverkat av kolatomer ett lager tjockt, arrangerade i en bikakestruktur. Det har använts för att göra material starkare, skapa ultrahögfrekventa komponenter för kommunikation, öka batteriprestanda och till och med användas för att göra COVID-19-tester. Det är det arketypiska tvådimensionella (2D) materialet - men det finns mycket mer i 2D-material än grafen.

Sedan grafen först isolerades 2004, forskning har expanderat till att skapa andra, icke-kol 2D-material. Nu finns det många tiotal av dessa, och de hyllas för att göra intryck där grafen är mindre lämpat, som i nya transistorer och nästa generations optoelektroniska enheter, som genererar, upptäcka och kontrollera ljus.

Vår senaste studie fokuserade på en ny form av 2D-materialet volframdisulfid (WS2), som är både 2D och 3D. WS2 är en halvledare - samma som kisel, som finns i nästan alla elektroniska enheter. Dock, till skillnad från kisel, WS2 kan existera i en stabil 2D-form. Vi arrangerade WS2-materialet på ett nytt sätt för att skapa ett 3D-arrangemang av 2D-ark som vi kallar en nanomesh.

WS2 nanomesh fördubblar frekvensen och halverar våglängden för laserljus – och ändrar dess färg när det gör det – med stor effektivitet. Detta betyder att det kan vara användbart i komponenter för kvantkommunikation med ljus, där försök att "avlyssna" meddelanden alltid kan upptäckas. Ljus är viktigt i kvantkommunikation eftersom ljuspartiklar, kallas fotoner, kan användas för att bära information. När två fotoner upplever något som kallas kvantintrassling, allt som händer med en av dem är omedelbart observerbart i den andra, oavsett hur långt ifrån varandra de är.

Kvantkommunikation har potential att leverera verkligt säker kommunikation över hela världen. Genom att använda den bisarra egenskapen intrassling, det är möjligt att konstruera ett system så att när en signal fångas, avsändaren vet omedelbart.

Många av försöken hittills att skapa kvantkommunikation har använt laserljus. Men för att kunna göra detta behöver vi ett effektivt sätt att styra ljuset. Detta skulle potentiellt kunna göras med 2D-material.

Tvådimensionell inneslutning

I 2D-material, elektroner kan röra sig i två dimensioner men deras rörelse i den tredje dimensionen är begränsad. Den här inneslutningen ger 2D-material intressanta egenskaper som gör att de visar mycket lovande som ultratunna enheter för IT, kommunikation, avkänning, energi, bildbehandling och kvantberäkning. För många av dessa applikationer, 2D-material, som bara är en atom tjock, ligga plant på en stödjande yta.

Tyvärr, dock, styrkan hos dessa material – att de är extremt tunna – är också deras största svaghet. Det betyder att när de är upplysta, synligt ljus kan interagera med dem endast över en liten tjocklek och den resulterande effekten är svag. För att övervinna detta, Forskare som jag börjar leta efter nya sätt att packa 2D-material i komplexa 3D-strukturer.

Nanomesh

Min Ph.D. student och jag skapade ett webbat 3D-nätverk av tätt packade, slumpmässigt fördelade högar, som innehåller roterade och smälta 2D-ark som kallas nanomesh. Dess unika egenskaper är resultatet av den specifika syntesprocess som vi utvecklat. Vi började med att odla endimensionella nanorör (rullade ark) av WS2, som en ställning. Dessa är naturligt fyllda med ett material från vilket WS2-ark kan växa vid nanorörsspetsarna och på deras sidor, roterade ovanpå varandra och utplacerade som en fläkt. Dessa ark smälts sedan samman med varandra för att skapa större 2D-ark som korsar varandra i 3D för att skapa nanomesh.

Inuti en halvledare finns energiband, åtskilda av ett energigap. Endast ljus med energi större än energigapet kan interagera med materialet på ett användbart sätt. Om nya energinivåer införs i detta energigap, fördubblingen av frekvensen för ljuset som passerar genom materialet är mycket effektivare och kan ske över ett större våglängdsområde. Det är precis vad vår nanomesh uppnår, det förändrar energilandskapet – energibanden, energigap och energinivåer inuti materialets gap.

Mätningar av mina kollegor i fotonikgruppen visade att nanomesh-materialet verkligen effektivt omvandlar en laserfärg till en annan över en bred palett av färger. Jämfört med platt liggande WS2-lager, nanomesh är mycket effektiv och reagerar på ett brett spektrum av ljusvåglängder, samtidigt som den är hållbar och kan odlas över stora ytor.

Vår studie är ett bevis på att sammansättning av 2D-material till ett 3D-arrangemang inte bara resulterar i tjockare 2D-material som ljuset interagerar starkare med – det producerar material med helt nya egenskaper.

Nanomeshen vi tillverkade är tekniskt enkel att tillverka i stor skala, och erbjuder interaktion med ljus som kan ställas in. Materialet skulle kunna utvecklas ytterligare, till exempel genom att inkludera små metalliska nanopartiklar eller genom att avsätta ett andra material. Sådana hybrider skulle erbjuda ytterligare sätt att ändra laserljus som passerar genom dem.

Vårt nästa mål är att införliva nanomesh i enheter som överför och modifierar ljus och som kan integreras med traditionell mikroelektronik. Detta är en väg för att utveckla praktisk kvantoptisk kommunikation.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.