Nel 2010, il Premio Nobel per la Fisica è andato agli scopritori del grafene. Un singolo strato di atomi di carbonio, il grafene possiede proprietà ideali per una serie di applicazioni. Tra i ricercatori, il grafene è stato il materiale più caldo per un decennio. Solo nel 2017 più di 30, 000 articoli di ricerca sul grafene sono stati pubblicati in tutto il mondo.

Ora, due ricercatori dell'Università del Kansas, Il professor Hui Zhao e il dottorando Samuel Lane, entrambi del Dipartimento di Fisica e Astronomia, hanno collegato uno strato di grafene con altri due strati atomici (diseleniuro di molibdeno e disolfuro di tungsteno) estendendo così la durata degli elettroni eccitati nel grafene di diverse centinaia di volte. Il risultato sarà pubblicato su Nano Futures, un giornale lanciato di recente e altamente selettivo.

Il lavoro in KU potrebbe accelerare lo sviluppo di celle solari ultrasottili e flessibili ad alta efficienza.

Per applicazioni elettroniche e optoelettroniche, il grafene ha eccellenti proprietà di trasporto della carica. Secondo i ricercatori, gli elettroni si muovono nel grafene a una velocità di 1/30 della velocità della luce, molto più velocemente di altri materiali. Ciò potrebbe suggerire che il grafene può essere utilizzato per le celle solari, che convertono l'energia dalla luce solare in elettricità. Ma il grafene ha un grave inconveniente che ostacola tali applicazioni:la sua vita ultrabreve degli elettroni eccitati (cioè, il tempo in cui un elettrone rimane mobile) di solo circa un picosecondo (un milionesimo di un milionesimo di secondo, o 10 ^-12 secondo).

"Questi elettroni eccitati sono come studenti che si alzano dai loro posti:dopo una bevanda energetica, Per esempio, che attiva gli studenti come la luce solare attiva gli elettroni, " disse Zhao. "Gli studenti pieni di energia si muovono liberamente in classe, come la corrente elettrica umana".

Il ricercatore KU ha affermato che una delle maggiori sfide per raggiungere un'elevata efficienza nelle celle solari con grafene come materiale di lavoro è che gli elettroni liberati, o, gli studenti in piedi - hanno una forte tendenza a perdere la loro energia e diventare immobili, come studenti seduti di nuovo.

"Il numero di elettroni, o studenti del nostro esempio, chi può contribuire alla corrente è determinato dal tempo medio in cui possono rimanere mobili dopo essere stati liberati dalla luce, " Zhao ha detto. "Nel grafene, un elettrone rimane libero solo per un picosecondo. Questo è troppo breve per accumulare un gran numero di elettroni mobili. Questa è una proprietà intrinseca del grafene ed è stato un grande fattore limitante per l'applicazione di questo materiale in dispositivi fotovoltaici o fotosensibili. In altre parole, sebbene gli elettroni nel grafene possano diventare mobili per eccitazione della luce e possano muoversi rapidamente, rimangono mobili solo troppo poco per contribuire all'elettricità."

Nel loro nuovo documento, Zhao e Lane riferiscono che questo problema potrebbe essere risolto utilizzando i cosiddetti materiali di van der Waals. Il principio del loro approccio è piuttosto semplice da capire.

"In pratica abbiamo tolto le sedie agli studenti in piedi in modo che non avessero un posto dove sedersi, " Ha detto Zhao. "Questo costringe gli elettroni a rimanere mobili per un tempo che è diverse centinaia di volte più lungo di prima."

Per raggiungere questo obiettivo, lavorando nel laboratorio laser ultraveloce di KU, hanno progettato un materiale a tre strati mettendo singoli strati di MoSe ₂ , WS ₂ e grafene uno sopra l'altro.

"Possiamo pensare al MoSe ₂ e strati di grafene come due aule piene di studenti tutti seduti, mentre il centro WS ₂ strato funge da disimpegno che separa le due stanze, " disse Zhao. "Quando la luce colpisce il campione, alcuni degli elettroni in MoSe2 vengono liberati. Possono attraversare il corridoio del livello WS2 per entrare nell'altra stanza, che è il grafene. Però, il corridoio è accuratamente progettato in modo che gli elettroni debbano lasciare i loro posti in MoSe ₂ . Una volta nel grafene, non hanno altra scelta che rimanere mobili e quindi contribuire alle correnti elettriche, perché i loro posti non sono più disponibili per loro."

Per dimostrare che l'idea funziona, i ricercatori della KU hanno utilizzato un impulso laser ultracorto (0,1 picosecondi) per liberare alcuni elettroni in MoSe ₂ . Utilizzando un altro impulso laser ultracorto, sono stati in grado di monitorare questi elettroni mentre si spostano verso il grafene. Hanno scoperto che questi elettroni si muovono attraverso il "corridoio" in circa 0,5 picosecondi in media. Rimangono quindi mobili per circa 400 picosecondi, un miglioramento di 400 volte rispetto a un singolo strato di grafene, che hanno anche misurato nello stesso studio.

I ricercatori confermano anche i "posti" rimasti nel MoSe ₂ anche rimanere non occupato per lo stesso periodo di tempo. Nel mondo classico, questi posti dovrebbero rimanere vuoti per sempre. Nella meccanica quantistica, però, gli elettroni "tunnel" di nuovo a queste sedi. I ricercatori propongono che questo processo determini la durata degli elettroni mobili. Così, scegliendo diversi strati di "corridoio", questo tempo può essere controllato per varie applicazioni.