定制二维材料以改进电子和光学设备

宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示,二维 (2-D) 材料的最新进展为电子和光学设备的未来发展提供了新的可能性。由宾夕法尼亚州立大学电气工程和生物医学工程助理教授黄盛希领导的研究人员最近发表了两个独立但相关的发现结果,这些发现表明他们成功改变了薄二维材料以应用于许多光学和电子设备。通过以原子和物理两种不同方式改变材料,研究人员能够增强光发射并增加信号强度,扩大依赖这些材料的设备的可能性范围。

在第一种方法中,研究人员修改了材料的原子组成。在常用的二维材料中,研究人员依靠薄层之间的相互作用(称为范德瓦尔斯层间耦合)来产生电荷转移,然后将其用于设备。然而,这种层间耦合是有限的,因为电荷传统上均匀分布在每层的两侧。

为了加强耦合,研究人员创造了一种新型二维材料,称为 Janus 过渡金属二硫属化物,通过用不同类型的原子替换层一侧的原子,产生电荷的不均匀分布。

“这种[原子变化]意味着电荷可能分布不均,”黄说。“这会在平面内产生电场,因此可以吸引不同的分子,从而增强光发射。”

此外,如果范德瓦尔斯层间耦合可以通过以一定角度扭曲层来调整到正确的水平,它可以诱导超导性,对电子和光学设备的进步产生影响。

在改变二维材料以提高其能力的第二种方法中,研究人员通过采用一层二硫化钼(一种通常平坦且薄的常见二维材料)来增强能量上转换过程产生的信号,以及将其卷成大致圆柱形。

MoS2 材料发生的能量转换过程是非线性光学效应的一部分,如果光线照射到物体上,频率就会加倍,这就是能量转换的来源。

“在这个过程中,我们一直希望将频率翻倍,”黄说。“但信号通常很弱,所以增强信号非常重要。”

通过滚动材料,研究人员实现了 95 倍以上的信号改善。

现在,黄计划将这两项进步放在一起。

“我们研究的下一步是回答我们如何结合原子工程和形状工程来创造更好的光学设备,”她说。

一篇关于原子结构研究的论文“Enhancement of van der Waals Interlayer Coupling through Polar Janus MoSSe”最近发表在化学学会杂志(ACS)上。关于滚动材料研究的论文“Chirality-Dependent Second Harmonic Generation of MoS2 Nanoscroll with Enhanced Efficiency”最近发表在ACS Nano上。

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