Графен и лазер - новая революция в материаловедении

Введение: Графен - самый легкий материал, который когда-либо производился. Его прочность в 100 раз больше, чем у стали. Он лучше по проводимости и гибкости, чем медь, и в значительной степени прозрачен.

Часто лента не считается новаторским с научной точки зрения. Но когда физики из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов (оба получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году) и их коллеги из журнала Science опубликовали результаты своих исследований - использование скотча для снятия одного атомного листа атомы углерода из куска графена, исследование, которое медленно открыло прелюдию к революции материаловедения.

За 11 лет, прошедших с тех пор, как вышеупомянутая исследовательская группа из Манчестера опубликовала результаты своих исследований, результаты исследований в смежных областях выросли в геометрической прогрессии. В прошлом году мировые исследователи опубликовали более 15 000 результатов исследований графена. Это явление вполне разумно: графен - самый легкий из когда-либо созданных материалов, его прочность в 100 раз больше, чем у стали, его проводимость и гибкость лучше, чем у меди, и он в значительной степени прозрачен. Исследователи предвидели каждый будущий продукт на основе графена, от компьютерных чипов следующего поколения и гибких дисплеев до батарей и топливных элементов.

Однако графен может достичь своего большого влияния в будущем не только как идеальный материал, а скорее как продукт, полученный из него. Хотя графен имеет множество поразительных преимуществ, у него есть и недостатки, особенно в том, что он не может работать как полупроводник - краеугольный камень микроэлектроники. Теперь химики и материаловеды усердно работают над скрещиванием графена и поиском других материалов. Они синтезируют два других двухмерных листовых материала, которые сочетают гибкость и прозрачность с электронными свойствами, с которыми графен не может сравниться, и они превратили некоторые из них в быстрые электронные и оптические устройства, легкие и гибкие. Они надеются, что эти материалы могут стать основой индустрии будущего.

Графен, открывающий новые горизонты для 2D-материалов

В некотором смысле 2D-материалы - это не совсем новые технологии. Исследователи разрабатывают тонкопленочные материалы атомарной формы с помощью машин молекулярной числовой эпитаксии (МБЭ) с 1960-х годов. Но машины MBE часто используются для хранения таких материалов, как кремний и арсенид галлия - атомные структуры этих кристаллических материалов имеют тенденцию образовывать трехмерные структуры. С этой точки зрения атомный слой, созданный машиной MBE, похож на кусок сыра, двухмерную версию трехмерного материала.

«Графен - это другое дело, это больше похоже на бумагу в книге», - сказал И-Сянь Ли, профессор материаловедения в Национальном университете Цинхуа в Синьчжу, Тайвань. К удивлению ученых, когда они изучили графен с близкого расстояния, они обнаружили, что в массивном графене нет проводящих и оптических свойств. «Самый важный урок заключается в том, что графен не так уж и отличается», - сказал Чжан Юаньбо, физик по физике конденсированных сред из Университета Фудань в Шанхае, Китай. Однако, по словам исследователей, «графен привлекает внимание к двумерным материалам».

Когда говорят о высокотехнологичном оборудовании, аура графена теряет сознание. Большинство материалов, которые считались ценными в эпоху электроники, - это полупроводники, а графен больше похож на металлический проводник. «Графен - действительно бесценный материал», - говорит Дэвид Томанек, физик конденсированных сред из Университета штата Мичиган. «Но это не идет в ногу с электронной промышленностью».

Однако графен открывает глаза ученым, позволяя им сосредоточиться на новом мире планарной электроники. Они увидели материалы, похожие на графен, но с новыми оптоэлектронными характеристиками. Они разработали однослойный кремний (силикон), однослойный германий (децен) и единственный слой олова (олово); они создали азотирование. Изолятор из бора, который имеет решетчатую структуру в виде клетки, как графен; они производят высокоэффективные катализаторы из однослойных оксидов металлов, которые можно использовать для управления определенными химическими реакциями; они даже заключают молекулы воды в двумерные листы, хотя использование этого до сих пор неясно.

Но на данный момент большая часть исследовательской работы по планарным материалам сосредоточена на двух материалах: один из них называется дисульфидом молибдена (MoS2); другой - двумерный монокристалл черного фосфора (или черный) фосфора) одинарный слой атомов фосфора. Оба материала обладают привлекательными электронными свойствами, и конкуренция между их исследователями чрезвычайно высока.

Дисульфид молибдена, предпочтительный материал для оптического оборудования

Среди этих двух материалов исследование дисульфида молибдена началось первым. Дисульфид молибдена был синтезирован в 2008 году и является членом большого семейства дисульфидных материалов переходных металлов (TMD). Это, казалось бы, «причудливое» название представляет их структуру: атом переходного металла (то есть атом молибдена) и пара атомов из 16-го столбца периодической таблицы, включая серу и селен. Семейная стихия известна).

К удивлению производителей электроники, все TMD являются полупроводниками. Они почти идентичны по толщине графену (в дисульфиде молибдена два слоя атомов серы окружают слой атомов молибдена, как «бутерброд»), но у них есть другие преимущества. Одним из преимуществ дисульфида молибдена является скорость, с которой электроны движутся в плоских чешуйках, т. Е. Подвижность электронов. Подвижность электронов дисульфида молибдена составляет около 100 см 2 / vs (то есть 100 электронов на квадратный сантиметр на вольт-секунду), что намного ниже, чем подвижность электронов кристаллического кремния 1400 см 2 / vs, но меньше, чем у аморфного кремния. и другие сверхтонкие полупроводники. Скорость миграции выше, и ученые исследуют эти материалы для будущих электронных продуктов, таких как гибкие дисплеи и другие гибкие электронные продукты.

Исследования показали, что дисульфид молибдена также очень легко получить, даже для изготовления больших кусков двумерных материалов. Это позволяет инженерам проверять свои характеристики в электронике на очень высоких скоростях. Например, в 2011 году исследовательская группа во главе с АндрасКисом из Швейцарского федерального технологического института опубликовала статью в Nature-Nanotechnology, в которой говорилось, что они создали первые транзисторы с однослойным дисульфидом молибдена толщиной всего 0,65 нм. Оказывается, эти продукты и последующие продукты обладают другими уникальными свойствами, чем более технологически продвинутые аналоги на основе кремния.

Кроме того, дисульфид молибдена обладает другими желательными свойствами, а именно прямой запрещенной зоной, которая позволяет материалу преобразовывать электроны в фотоны и наоборот. Эта особенность также делает дисульфид молибдена хорошим кандидатом для использования в оптических устройствах, таких как излучатели света, лазеры, фотодетекторы и даже солнечные элементы. Некоторые ученые говорят, что этот материал также богат запасами, дешев и нетоксичен, поэтому И-Сяньли считает: «Будущее светлое».

Однако Томанек считает, что скорость электронного переноса дисульфида молибдена все еще недостаточно высока, чтобы сделать его конкурентоспособным на переполненном рынке электроники. Причина тому - структурные характеристики этого материала. Когда электроны движутся внутрь, они взрываются в своих структурах, когда сталкиваются с большим атомом металла, тем самым снижая скорость миграции.

Но некоторые ученые говорят, что этот камень преткновения будет временным. Исследователи пытаются обойти эти препятствия, создав немного более толстый слой листов дисульфида молибдена, которые обеспечивают путь сжатым электронам для обхода препятствий. «Тогда проблема миграции дисульфида молибдена будет решена», - сказал И-Сянь Ли.

Черный фосфор, новый фаворит в материалах электронного оборудования

Конкурент дисульфида молибдена, двумерный монокристалл черного фосфора (также известный как черный фосфор), кажется, более взволновал ученых. Двумерный монокристалл черного фосфора - это одна из трех различных кристаллических структур (или аллотропов), которые могут быть образованы чистым фосфором. Два других материала - белый фосфор, используемый для изготовления фейерверков, и красный фосфор, используемый для изготовления спичечных головок.

Двумерный монокристалл черного фосфора состоит из расположенных в двух плоскостях волнистых атомов фосфора, которые были синтезированы в прошлом году. Но его свойства сделали его любимцем материаловедения, поскольку скорость переноса электронов составляет 600 см2 / vs. Некоторые исследователи надеются еще больше увеличить этот показатель; в то же время его межзонная щель (электрическое напряжение, необходимое для прохождения тока через вещество) является настраиваемой, то есть инженер-электронщик может регулировать запрещенную зону, просто изменяя стопку двумерного монокристалла черного фосфора, что является преимуществом для разработки требуемой ширины запрещенной зоны в соответствии с конкретными требованиями. «Все эти свойства делают двухмерные монокристаллы черного фосфора суперматериалом», - сказал Томанек.

Исследователи чрезвычайно быстро продвигают коммерциализацию двумерных монокристаллов черного фосфора. 2 марта прошлого года Чжан Юаньбо и другие коллеги из Университета Фудань опубликовали онлайн-отчет в Nature-Nanotechnology, в котором говорится, что они создали кристаллический триод на основе двумерного монокристалла черного фосфора - продукт в компьютерной логической схеме. Сыграйте «сердечную» роль. Две недели спустя Томанек и его коллеги также опубликовали отчет об использовании двумерных монокристаллических транзисторов с черным фосфором в журнале Nano Американского химического общества.

Однако, к сожалению, двумерный монокристалл черного фосфора на воздухе неустойчив. «Через 24 часа мы можем увидеть пузырьки на поверхности материала, а затем все устройство выйдет из строя в течение нескольких дней», - сказал Джун-СокКим, эксперт по двумерным монокристаллам черного фосфора из Техасского университета в Остин. Эксперты говорят, что виноват водяной пар, который реагирует с фосфором, превращая фосфор в фосфорную кислоту и вызывая коррозию. Тем не менее исследовательская группа Кима и другие исследователи все еще пытаются решить эту проблему. Например, Ким сказал в мартовском отчете Американского физического общества, что он и его коллеги уже могут хранить транзисторы на основе двумерных монокристаллов черного фосфора в течение трех месяцев - заключая их в оксид алюминия и тефлон в отсеке.

Однако Yi-HsienLee считает, что этот метод не гарантирует долговременной стабильности материала. «Вы можете добавить к продукту защитный слой, но это только замедлит скорость старения». Он утверждает, что причина, по которой некоторые исследователи отдают предпочтение двумерным монокристаллам черного фосфора, заключается в простоте использования этого материала: как и графен, хлопья черного фосфора легко отделить прозрачной лентой. «Это тот же метод», - говорит И-СяньЛи. «Но это не означает, что перспективы двумерных монокристаллов черного фосфора хороши».

В конце концов, у обоих материалов может быть много возможностей для развития. «Мы только начинаем», - сказал физик из Университета штата Флорида Луис Баликус. Он сказал, что со временем инженеры будут использовать сильное взаимодействие дисульфида молибдена со светом для создания солнечных элементов, светоизлучателей и других оптических устройств; в то же время повысить высокую подвижность электронов двумерных монокристаллов черного фосфора и использовать его для изготовления электронного оборудования.

Графен и лазер

1. Новый графеновый фотоприемник.

Испанские и американские ученые совместно разработали преобразователь фотодетектора на основе графена, который преобразует свет в электрические сигналы менее чем за 50 фемтосекунд (одна миллиардная секунды). Близко к пределу скорости фотоэлектрического преобразования, будет значительно способствовать развитию многих областей.

Эффективная технология фотоэлектрического преобразования, поскольку она может преобразовывать информацию, переносимую светом, в электрический сигнал, который может обрабатываться в электронных схемах, играет важную роль во многих ключевых технических областях от камеры до солнечного элемента, а также является важной поддержкой приложений передачи данных . Хотя графен является материалом с чрезвычайно высокой эффективностью фотоэлектрического преобразования, ученые не знают, насколько быстро он реагирует на ультракороткие оптические импульсы.

Теперь профессор Франк Коппонс, исследователь из Испанского института фотоники, Нильке Ван Херст из Института перспективных исследований в Каталонии и Пабло Галлиоло из Массачусетского технологического института-Герой, а также исследовательская группа под руководством Лю Цзиньнинга, профессора Доктор физики в Калифорнийском университете в Риверсайде разработал преобразователь фотодетектора на основе графена, который может светить менее чем за 50 фемтосекунд и преобразовываться в электричество, доводя скорость фотоэлектрического преобразования до предела. Последнее исследование опубликовано в недавно опубликованном журнале Nature Nanotechnology.

Для этого исследователи использовали сверхбыстрое импульсное лазерное возбуждение и сверхвысокочувствительные методы электронного считывания. Исследователь Крас-Ян Телль сказал: «Уникальность этого эксперимента заключается в том, что технология сверхбыстрого формирования импульсов, полученная с помощью сверхбыстрой фотоники на одной молекуле, идеально сочетается с электронной технологией графена, плюс нелинейная фототермоэлектрическая реакция графена позволяет ученым преобразовывать свет в электрические сигналы за такой короткий промежуток времени ".

Исследователи говорят, что возможно быстрое создание фотоэдс в графене благодаря сверхбыстрой и ультраэффективной корреляции между всеми носителями зоны проводимости в графене. Эта корреляция позволяет им быстро создавать электронное распределение, используя повышающуюся температуру электронов. В результате энергия, поглощенная из света, может быть эффективно и быстро преобразована в тепло электронов. Впоследствии на стыке двух областей графена с двумя различными легирующими добавками тепло электронов преобразуется в напряжение. Результаты экспериментов показывают, что этот фототермографический эффект возникает почти одновременно, и поглощенный свет может быть быстро преобразован в электрический сигнал.

Исследователи говорят, что последнее исследование открывает новый путь к сверхбыстрому фотоэлектрическому преобразованию. Коппс подчеркнул: «Графеновые фотодетекторы обладают потрясающими характеристиками и могут использоваться во многих областях».

2. Ожидается, что графеновые материалы породят новый широкополосный лазер.

Ожидается, что международная исследовательская группа под руководством Исследовательского центра Хельсиндорфа (HZDR) в Гельмгольце, Германия, будет способствовать разработке новых широкополосных лазеров для изучения динамики электронов в графене под действием сильных магнитных полей.

Исследователи поместили графен в магнитное поле 4 Тесла и под действием магнитного поля заставили электроны в материале сформировать определенный энергетический уровень, который называется уровнем Ландау. Затем исследователи изучили эти энергетические уровни с помощью лазеров на свободных электронах. Доктор Мартин Миттендорф сказал: «Лазерный импульс возбуждает электроны и заставляет их перейти на определенный уровень Ландау. Затем с помощью импульсов с временной задержкой, чтобы определить, как работает система». Исследователи обнаружили, что лазер накачал в систему несколько новых электронов. Уровень Ландау, а затем и эти уровни Ландау неожиданным образом постепенно выдолбились. Они думают, что это вызвано столкновением электронов.

Д-р Стефан Виннерл провел аналогию, чтобы объяснить этот процесс: «Представьте, что библиотекарь убирает книгу на трехэтажной полке, она кладет книгу за раз, а книгу кладет на нижнюю полку книжной полки на среднюю полку. . Ее сын тоже помогал ей с ней, каждый раз снимая две книги со средней полки, одну на верхней и одну на нижней. Ее сын очень надеется, что на средней полке количество книг, размещенных на ней, уменьшится, даже если средняя перегородка - это полка, на которую его мать хочет заполнить книгу ». Виннерл сказал, что исследователи не хотели, чтобы эффект, известный как рассеяние Оже, был слишком сильным или рассеивался на электронике уровня энергии.

Помещение графена в магнитное поле обнаруживает множество эффектов, и электроны ранее не изучались в кинетике этой системы. Исследователи полагают, что обнаруженное ими явление может привести к появлению лазеров, и что полученные длины волн лазера можно произвольно настраивать в инфракрасном и терагерцовом диапазонах.

Виннерл сказал: «Долгое время этот лазерный уровень Ландау считался недостижимым. Но теперь, с графеном, мечта физиков-полупроводников, вероятно, станет реальностью».

3. Графен или заменит SESAM в качестве основного материала фемтосекундного волоконного лазера.

Фемтосекундные волоконные лазеры используются в широком спектре приложений, включая лазерную визуализацию, голографическую спектроскопию и сверхбыструю фотонику, а также лазерную обработку, лазерную медицину (например, офтальмологическую хирургию) и лазерные радары. Традиционное устройство сердцевины фемтосекундного волоконного лазера, полупроводниковое зеркало с насыщенным поглощением (SESAM), изготавливается методом выращивания полупроводников, который является дорогостоящим и имеет монополию на технологию.

В области фемтосекундных волоконных лазеров графен считается лучшим материалом для замены SESAM. Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 года предсказали, что индустриализация графеновых фемтосекундных волоконных лазеров ожидается примерно в 2018 году. Для достижения настоящей индустриализации необходимо решить ряд ключевых технологий, таких как получение высококачественного графена и недорогой масштабный перенос графена, взаимодействие графена и светового поля, упаковка поглотителя, насыщенного графеном, и контроль стабильности мощности лазера. После многих лет непрерывных исследований компания Taizhou Junna New Energy Co., Ltd. успешно преодолела эти ключевые технологии и первой осуществила коммерциализацию графеновых фемтосекундных волоконных лазеров. Основные показатели производительности выше, чем у аналогичных продуктов, с высокими показателями стоимости и высокой конкурентоспособностью на рынке.

Страница содержит содержимое машинного перевода.