Una storia di copertina che appare nella rivista peer-reviewed Orizzonti su nanoscala riporta un nuovo materiale a doppio strato, con ogni strato che misura meno di un nanometro di spessore, che un giorno potrebbe portare a un'emissione di luce più efficiente e versatile.

I ricercatori che lavorano presso l'Ultrafast Laser Lab dell'Università del Kansas hanno creato con successo il materiale combinando strati atomicamente sottili di bisolfuro di molibdeno e disolfuro di renio.

"Entrambi assorbono la luce molto bene come semiconduttori, e sono entrambi molto flessibili possono essere allungati o compressi, " disse Hui Zhao, professore associato di fisica e astronomia presso KU, che ha co-autore del documento. "L'obiettivo di tutta questa direzione di ricerca è produrre dispositivi emettitori di luce, come i LED ultrasottili, spessi solo pochi nanometri, e abbastanza flessibili da poter essere piegati. Abbiamo mostrato attraverso questo materiale a doppio strato, si può raggiungere".

Per spiegare la svolta, Zhao paragona il comportamento degli elettroni nel nuovo materiale a un'aula scolastica.

"Si può pensare a un materiale come a un'aula piena di studenti, che sono gli elettroni, uno su ogni sedile, " ha detto. "Seduto su un sedile, uno studente, o un elettrone, non può muoversi liberamente per condurre elettricità. La luce può fornire energia sufficiente per alzare in piedi alcuni studenti, che ora può muoversi liberamente e, come elettroni, per condurre elettricità. Questo processo è alla base dei dispositivi fotovoltaici, dove l'energia della luce solare viene catturata e convertita in elettricità."

Il ricercatore KU ha affermato che l'emissione di luce comporta il processo inverso, in cui un elettrone in piedi si siede su un sedile, liberando la sua energia cinetica sotto forma di luce.

"Per creare un buon materiale per dispositivi a emissione luminosa, sono necessari non solo gli elettroni che trasportano energia, ma anche i "sedili" - chiamati buchi - per far sedere gli elettroni, " Egli ha detto.

Studi precedenti di diversi gruppi, compreso quello di Zhao, hanno prodotto vari materiali a doppio strato impilando diversi tipi di fogli atomici. Però, in questi materiali, gli elettroni ei "sedili" esistono in diversi strati atomici.

"Poiché gli elettroni non possono facilmente trovare sedi, l'efficienza di emissione della luce di questi materiali a doppio strato è molto bassa - più di 100 volte inferiore a quella di uno strato atomico, " Egli ha detto.

Ma nel nuovo materiale annunciato da Zhao e dai suoi coautori, "Tutti gli elettroni e le loro sedi saranno nel loro strato originale, invece di separato. L'emissione di luce sarà molto più forte."

Zhao e i colleghi ricercatori Matthew Bellus, Samuel Lane, Frank Ceballos e Qiannan Cui, tutti gli studenti laureati in fisica KU, e Ming Li e Xiao Cheng Zeng dell'Università del Nebraska-Lincoln hanno creato il nuovo materiale utilizzando lo stesso metodo "Scotch tape" a bassa tecnologia utilizzato per la creazione di grafene, il materiale a strato singolo atomico che ha vinto il Premio Nobel per la fisica ai suoi creatori nel 2010.

"C'è un trucco, " Ha detto Zhao. "Usi lo scotch per staccare uno strato dal cristallo e poi pieghi il nastro un paio di volte, quindi quando si spinge il nastro contro un supporto e lo si stacca rapidamente, parte del materiale rimarrà sul supporto. Al microscopio, le sezioni dello strato di un singolo atomo avranno un colore diverso a causa del loro spessore, molto simile a una sottile pellicola di olio sull'acqua".

I ricercatori dell'Ultrafast Laser Lab di KU, guidato da Bellus, il primo autore del saggio, quindi compiuto il passaggio più impegnativo:impilare lo strato MoS2 sopra ReS2, con una precisione migliore di un micrometro. I fogli atomicamente sottili erano collegati dalla cosiddetta forza di van der Waals, la stessa forza che consente a un geco di scalare un vetro liscio di una finestra. "La forza di van der Waals non è molto sensibile alla disposizione atomica, " disse Zhao. "Allora, si possono usare questi fogli atomici per formare materiali multistrato, in un modo come i Lego atomici."

Dopo aver effettuato i campioni, i membri del team hanno utilizzato laser ultraveloci per osservare il movimento di elettroni e sedi tra i due strati atomici, e hanno visto prove evidenti che sia gli elettroni che le sedi possono spostarsi da MoS2 a ReS2, ma non lungo la direzione opposta.

Così facendo, il team ha confermato i calcoli teorici eseguiti da Li e Zeng, che in precedenza aveva analizzato le proprietà correlate di una dozzina di fogli atomici, e ha previsto che i doppi strati formati da MoS2 e ReS2 sarebbero stati promettenti come base per la tecnologia LED.

Secondo Zhao, l'obiettivo finale è sviluppare un metodo che consenta un controllo preciso della posizione degli elettroni e delle sedi tra i diversi strati atomici in modo che le proprietà elettroniche e ottiche del materiale possano essere controllate e ottimizzate.

"Un giorno ci piacerebbe vedere LED più sottili, più efficiente dal punto di vista energetico e flessibile, " ha detto. "Pensa a uno schermo di computer o telefono se puoi piegarlo un paio di volte o metterlo in tasca."