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Licht auf - und durch - 2D-Materialien werfen

26.09.2018

Yakobson Research Group/Rice University

Forscher der Rice University modellierten zweidimensionale Materialien, um zu quantifizieren, wie sie auf Licht reagieren. Sie berechneten, wie die atomdicken Materialien in einzelnen oder gestapelten Schichten Licht übertragen, absorbieren und reflektieren würden. Die obigen Diagramme messen die maximale Absorption mehrerer der 55 getesteten Materialien.

Die Fähigkeit metallischer oder halbleitender Materialien, Licht zu absorbieren, zu reflektieren und zu beeinflussen, ist von größter Bedeutung für Wissenschaftler, die Optoelektronik entwickeln - elektronische Vorrichtungen, die mit Licht interagieren, um Aufgaben zu erfüllen. Wissenschaftler der Rice University haben nun ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von atomdünnen Materialien entwickelt, die eine Verfeinerung der Modulation und Manipulation von Licht versprechen.

Zweidimensionale Materialien sind ein heißes Forschungsthema, da Graphen, ein flaches Gitter aus Kohlenstoffatomen, 2001 identifiziert wurde. Seitdem haben die Wissenschaftler in der Theorie oder im Labor an der Entwicklung neuer 2D-Materialien mit einer Reihe von optischen, elektronischen und physikalischen Eigenschaften gearbeitet.

Bisher fehlte ihnen ein umfassender Leitfaden über die optischen Eigenschaften, die diese Materialien als ultradünne Reflektoren, Sender oder Absorber bieten.

Der Rice Lab of Materials Theoretiker Boris Yakobson nahm sich der Herausforderung an. Yakobson und seine Co-Autoren, Doktoranden und Hauptautorinnen Sunny Gupta, die Postdoc-Forscherin Sharmila Shirodkar und der Forschungswissenschaftler Alex Kutana verwendeten modernste theoretische Methoden, um die maximalen optischen Eigenschaften von 55 2D-Materialien zu berechnen.

"Das Wichtigste, jetzt, da wir das Protokoll verstehen, ist, dass wir es nutzen können, um jedes 2D-Material zu analysieren", sagte Gupta. "Das ist ein großer Rechenaufwand, aber jetzt ist es möglich, jedes Material auf einer tieferen quantitativen Ebene zu bewerten."

Ihre Arbeit beschreibt die Transmission, Absorption und Reflexion der Monoschichten, Eigenschaften, die sie gemeinsam TAR nennen. Im Nanobereich kann Licht auf einzigartige Weise mit Materialien interagieren, was zu Wechselwirkungen zwischen Elektron und Photon führt oder Plasmonen auslöst, die Licht bei einer Frequenz absorbieren und in einer anderen emittieren.

Die Manipulation von 2D-Materialien ermöglicht es Forschern, immer kleinere Geräte wie Sensoren oder lichtgesteuerte Schaltungen zu entwickeln. Aber zuerst hilft es zu wissen, wie empfindlich ein Material für eine bestimmte Wellenlänge des Lichts ist, von Infrarot über sichtbare Farben bis hin zu Ultraviolett.

"Im Allgemeinen ist die allgemeine Meinung, dass 2D-Materialien so dünn sind, dass sie im Wesentlichen transparent erscheinen sollten, mit vernachlässigbarer Reflexion und Absorption", sagte Yakobson. "Überraschenderweise haben wir festgestellt, dass jedes Material eine expressive optische Signatur hat, wobei ein großer Teil des Lichts einer bestimmten Farbe (Wellenlänge) absorbiert oder reflektiert wird."

Die Co-Autoren gehen davon aus, dass Photodetektions- und Modulationsgeräte und Polarisationsfilter mögliche Anwendungen für 2D-Materialien mit richtungsabhängigen optischen Eigenschaften sind. "Mehrschichtige Beschichtungen könnten einen guten Schutz vor Strahlung oder Licht bieten, wie bei Lasern", sagte Shirodkar. "Im letzteren Fall können heterostrukturierte (mehrschichtige) Schichten - Beschichtungen aus komplementären Materialien - erforderlich sein. Größere Lichtintensitäten könnten nichtlineare Effekte erzeugen, und deren Berücksichtigung wird sicherlich weitere Untersuchungen erfordern."

Die Forscher modellierten sowohl 2D-Stapel als auch einzelne Schichten. "Stapel können den Spektralbereich erweitern oder neue Funktionen wie Polarisatoren hervorbringen", sagte Kutana. "Wir können darüber nachdenken, gestapelte Heterostrukturmuster zur Speicherung von Informationen oder sogar für die Kryptographie zu verwenden."

Zu den Ergebnissen der Forscher gehörten unter anderem die Überprüfung, dass Stapel von Graphen und Borophen das mittlere Infrarotlicht stark reflektieren. Ihre auffälligste Entdeckung war, dass ein Material aus mehr als 100 Einzelatomschichten von Bor - die immer noch nur etwa 40 Nanometer dick wären - mehr als 99 Prozent des Lichts vom Infrarot bis zum Ultraviolett reflektieren würde, was die Leistung von dotiertem Graphen und Bulksilber übertrifft.

Es gibt einen Nebeneffekt, der auch zu Yakobsons künstlerischer Sensibilität passt. "Jetzt, da wir die optischen Eigenschaften all dieser Materialien kennen - die Farben, die sie beim Auftreffen auf das Licht reflektieren und durchlassen - können wir darüber nachdenken, Buntglasfenster im Tiffany-Stil auf der Nanoskala herzustellen", sagte er. "Das wäre fantastisch!"

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