物理學家將單原子片與用于攀爬墻壁的壁虎相同

2019-03-25 09:56:26
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堪薩斯大學的物理學家用兩種不同的原子片制造了一種創新物質,這種原子片很像樂高玩具磚。研究人員表示,這種新材料 - 由一層石墨烯和一層二硫化鎢制成 - 可用于太陽能電池和柔性電子產品。他們的研究結果由Nature Communications今天發表。

物理和天文學助理教授Chsin-Ying Chiu和研究生Matt Bellus使用“逐層組裝”作為一種多功能自下而上的納米制造技術制造了這種新材料。然后,來自中國的訪問學生Jiaqi He和現已遷至英特爾公司的研究生Nardeep Kumar在由Hui Zhao監督的KU超快激光實驗室中通過超快激光光譜研究電子如何在兩層之間移動,物理與天文學副教授。

“建造具有協同功能的人造材料是一個漫長的發現之旅,”Chiu說。“自石墨烯技術的快速發展以來,由層狀材料制成的一類新材料引起了廣泛的關注。本研究最有希望的一個方面是通過原子層控制設計下一代材料的潛力。在它的電子結構上。“

根據研究人員的說法,該方法是通過組合兩個單原子厚板來設計協同材料,例如,充當光伏電池以及發光二極管,在電和輻射之間轉換能量。然而,結合原子薄材料層是一項棘手的任務,多年來一直困擾著研究人員。

“這種方法面臨的一大挑戰是,大多數材料由于界面處的原子排列不同而不能連接在一起 - 原子的排列不能同時遵循兩套不同的規則,”Chiu說。“這就像玩不同制造商制造的不同尺寸的樂高積木一樣。因此,新材料只能由具有非常相似原子排列的材料制成,這些材料通常也具有相似的特性。即便如此,原子在界面上的排列也是如此。是不規則的,往往導致質量差。“

像KU研究人員開發的那些分層材料為這個問題提供了解決方案。與由在各個方向上強烈束縛的原子形成的傳統材料不同,新材料具有兩層,其中每個原子片由與其鄰居強烈結合的原子組成 - 但是這兩個原子片本身僅通過弱相互連接。所謂的范德瓦爾斯力,分子之間同樣有吸引力的現象,允許壁虎粘在墻壁和天花板上。

“存在大約100種不同類型的層狀晶體 - 石墨是一個眾所周知的例子,”Bellus說。“由于層間連接較弱,人們可以選擇任意兩種類型的原子片,并將其中一種放在另一種上面而沒有任何問題。就像玩平底的樂高積木一樣。沒有任何限制。這種方法可能會產生很大的影響新材料的數量與新材料相結合,改變了材料科學。“

Chiu和Bellus創造了新的碳和二硫化鎢材料,旨在開發高效太陽能電池的新材料。單片碳原子,稱為石墨烯,擅長于周圍移動電子,而單層二硫化鎢原子能夠吸收陽光并將其轉化為電能。通過將兩者結合起來,這種創新材料可以很好地完成這兩項任務。

該團隊使用透明膠帶從晶體中提升單層二硫化鎢原子并將其應用于硅基板。接下來,他們使用相同的步驟從石墨晶體中除去單層碳原子。使用顯微鏡,他們將石墨烯精確地放置在二硫化鎢層的頂部。為了去除在該過程中無意引入的兩個原子層之間的任何膠,將材料在約500華氏度下加熱半小時。這允許兩層之間的力擠出膠水,從而產生具有清潔界面的兩個原子薄層的樣品。

博士生He和Kumar在KU的超快激光實驗室測試了新材料。研究人員使用激光脈沖來激發二硫化鎢層。

“我們發現,幾乎100%吸收激光脈沖能量的電子在一皮秒內從二硫化碳轉移到石墨烯,或百萬分之一秒,”趙說。“這證明新材料確實結合了每個組件層的良好特性。”

由趙和趙領導的研究小組正試圖將這種樂高方法應用于其他材料。例如,通過組合吸收不同顏色光的兩種材料,它們可以制造對太陽光譜的不同部分起反應的材料。

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