Nell'ultimo decennio, bidimensionale, 2-D, materiali hanno catturato il fascino di un numero sempre crescente di scienziati. Questi materiali, la cui caratteristica distintiva è avere uno spessore da uno a pochissimi atomi, può essere costituito da una varietà di elementi differenti o loro combinazioni. L'incanto degli scienziati con i materiali 2-D è iniziato con l'esperimento vincitore del Premio Nobel di Andre Geim e Konstantin Novoselov:creare un materiale 2-D usando un pezzo di grafite e un comune nastro adesivo. Questo esperimento ingegnosamente semplice ha prodotto un materiale incredibile:il grafene. Questo materiale ultraleggero è circa 200 volte più resistente dell'acciaio ed è un ottimo conduttore. Una volta che gli scienziati hanno scoperto che il grafene aveva proprietà più impressionanti rispetto al suo componente sfuso, la grafite, hanno deciso di indagare su altri materiali 2-D per vedere se questa fosse una proprietà universale.

Christopher Petoukhoff, uno studente laureato della Rutgers University che lavora nell'unità di spettroscopia a femtosecondi presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), studia un materiale 2-D, costituito da bisolfuro di molibdeno (MoS2). La sua ricerca si concentra sulle applicazioni optoelettroniche del materiale 2-D, o come il materiale può rilevare e assorbire la luce. L'optoelettronica è onnipresente nel mondo di oggi, dai fotorilevatori nelle porte automatiche e negli asciugamani elettrici, alle celle solari, alle luci a LED, ma come vi dirà chiunque si sia fermato davanti a un lavandino automatico agitando disperatamente le mani per farlo funzionare, ci sono ampi margini di miglioramento. Il MoS2 2-D è particolarmente interessante per l'uso nei fotorivelatori a causa della sua capacità di assorbire la stessa quantità di luce di 50 nm delle tecnologie attualmente utilizzate a base di silicio, pur essendo 70 volte più sottile.

Petoukhoff, sotto la supervisione del professor Keshav Dani, cerca di migliorare i dispositivi optoelettronici aggiungendo uno strato 2-D di MoS2 a un semiconduttore organico, che ha forze di assorbimento simili a MoS2. La teoria alla base dell'utilizzo di entrambi i materiali è che l'interazione tra lo strato di MoS2 e il semiconduttore organico dovrebbe portare a un trasferimento di carica efficiente. La ricerca di Petoukoff, pubblicato in ACS Nano , dimostra per la prima volta che il trasferimento di carica tra questi due strati avviene in tempi rapidissimi, nell'ordine di meno di 100 femtosecondi, o un decimo di un milionesimo di un milionesimo di secondo.

La sottigliezza di questi materiali, però, diventa un fattore limitante della loro efficienza come fotovoltaico, o dispositivi di conversione luce-energia. Dispositivi di assorbimento della luce, come celle solari e fotorivelatori, richiedono una certa quantità di spessore ottico per assorbire i fotoni, piuttosto che lasciarli passare. Per superare questo, i ricercatori dell'unità di spettroscopia a femtosecondi hanno aggiunto una serie di nanoparticelle d'argento, o una metasuperficie plasmonica, all'ibrido semiconduttore organico-MoS2 per focalizzare e localizzare la luce nel dispositivo. L'aggiunta della metasuperficie aumenta lo spessore ottico del materiale sfruttando le proprietà uniche dello strato attivo ultrasottile, che alla fine aumentano l'assorbimento totale.

Mentre questa ricerca è ancora agli inizi, le sue implicazioni per il futuro sono enormi. Le combinazioni con i materiali 2-D hanno il potenziale per rivoluzionare la commerciabilità dei dispositivi optoelettronici. I dispositivi optoelettronici convenzionali sono costosi da produrre e sono spesso realizzati con elementi scarsi o tossici, come indio o arsenico. I semiconduttori organici hanno bassi costi di produzione, e sono fatti di elementi abbondanti e non tossici. Questa ricerca può potenzialmente migliorare il costo e l'efficienza dell'optoelettronica, portando a prodotti migliori in futuro.