使用2D材质创建自定义光源

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寻找新的发光半导体材料对于开发各种电子设备至关重要。但是,制造出能够根据我们的特定需求量身定制的发光结构的人造结构是一个更具吸引力的主张。但是,半导体中的发光仅在满足某些条件时才会发生。今天,来自瑞士日内瓦大学(UNIGE)的研究人员与曼彻斯特大学合作,发现了一整类二维材料,其厚度只有一个或几个原子。当组合在一起时,这些原子上薄的晶体能够形成以所需颜色发射可定制光的结构。这项研究发表在《自然材料》杂志上,标志着二维材料的未来工业化迈出了重要的一步。

能够发光的半导体材料广泛用于电信,发光器件(LED)和医疗诊断等领域。当电子在半导体内部从较高的能级跃迁到较低的能级时,会发生发光。能量的差异决定了发射光的颜色。对于要产生的光,跳跃前后的电子速度必须完全相同,该条件取决于所考虑的特定半导体材料。只能将某些半导体用于发光:例如,用于制造计算机的硅不能用于制造LED。

“我们问自己是否可以使用二维材料来制造发出具有所需颜色的光的结构,” UNIGE科学学院量子物质物理系教授Alberto Morpurgo解释说。二维材料是完美的晶体,就像石墨烯一样,是一个或几个原子厚的晶体。得益于最新的技术进步,不同的二维材料可以彼此堆叠,以形成具有类似半导体性能的人造结构。这些“人造半导体”的优点是可以通过选择组成结构的材料的化学组成和厚度来控制能级。

“这种人造半导体是在两三年前才首次制造的,”由莫普尔戈(Morpurgo)教授领导的研究小组的研究人员尼古拉斯·乌布里格(Nicolas Ubrig)解释说。“当二维材料具有完全相同的结构并且它们的晶体完美对齐时,这种类型的人造半导体可以发光。但这是非常罕见的。” 这些条件是如此严格,以至于它们几乎没有控制发射光的自由。

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Morpurgo教授继续说道:“我们的目标是设法将不同的二维材料组合在一起以发光,同时不受所有限制。” 物理学家认为,如果他们能找到能级变化前后电子速度为零的一类材料,那将是一个理想的方案,无论其细节如何,该方案始终满足发光条件的晶格及其相对取向。

大量已知的二维半导体在相关能级上具有零电子速度。由于化合物的多样性,因此可以组合许多不同的材料,每种组合都是一种发出特定颜色的光的新型人造半导体。曼彻斯特大学的弗拉基米尔·法尔科(Vladimir Fal'ko)教授补充说:“一旦有了这个主意,就很容易找到实施它的材料。” 该研究中使用的材料包括各种过渡金属二卤化物(例如MoS2,MoSe2和WS2)和InSe。已经确定了其他可能的材料,这些材料将有助于拓宽这些新型人造半导体发出的光的颜色范围。

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“由于没有更多的发光先决条件,因此这些2D材料的巨大优势在于,它们提供了新的策略来操纵我们认为合适的光,并具有我们想要的能量和颜色。 ”,Ubrig继续说道。这意味着有可能在工业水平上设计出未来的应用,因为发射的光是坚固的,并且不再需要担心原子的排列。

UNIGE与曼彻斯特大学之间的合作是在欧盟石墨烯旗舰项目的框架内进行的。


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