Un gruppo di ricercatori dell'Università di Tohoku, del Massachusetts Institute of Technology (MIT), della Rice University, dell'Università di Scienza e Tecnologia di Hanoi, dell'Università di Zhejiang e dell'Oak Ridge National Laboratory ha proposto un nuovo meccanismo per migliorare la luce a lunghezza d'onda corta (100-300 nm ) mediante generazione di seconda armonica (SHG) in un materiale sottile bidimensionale (2D), composto interamente da elementi comuni.
Poiché la luce UV con SHG svolge un ruolo importante nelle apparecchiature litografiche per semiconduttori e nelle applicazioni mediche che non utilizzano materiali fluorescenti, questa scoperta ha importanti implicazioni per le industrie esistenti e tutte le applicazioni ottiche.
I dettagli della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista ACS Nano il 29 agosto 2023. Lo studio è stato selezionato per essere presentato in copertina.
I dicalcogenidi dei metalli di transizione Janus (TMD) sono una classe specifica di materiali 2D, tipicamente composti da un metallo di transizione (come molibdeno o tungsteno) inserito tra due elementi calcogeno (come zolfo, selenio o tellurio). Prendendo il nome dal dio romano Giano, che aveva due facce che guardavano in direzioni opposte, i TMD Janus non hanno simmetria di inversione tra due superfici di materiale sottile. Questa asimmetria incorporata rende i materiali Janus-TMD adatti per SHG, in particolare quando i due TMD sono etero-impilati.
SHG è un processo ottico non lineare in cui due fotoni con la stessa frequenza (ω) interagiscono in modo non lineare con il materiale e, di conseguenza, viene generato un singolo fotone con il doppio della frequenza (2ω) (o mezza lunghezza d'onda). Fondamentalmente, si tratta di un fenomeno in cui la luce in entrata viene convertita in luce con una frequenza doppia o metà della lunghezza d'onda.
L'SHG è importante in varie applicazioni, tra cui la tecnologia laser, la microscopia, la scienza medica e la fisica dello stato solido. L'SHG viene utilizzato per generare luce con lunghezze d'onda più corte, che può essere utile in campi come le apparecchiature di litografia per semiconduttori e le applicazioni mediche, come le tecniche di imaging che non utilizzano materiali fluorescenti.
"Il nostro team di ricercatori ha ottimizzato le condizioni di SHG negli eterobistrati dei materiali 2D Janus TMD", sottolinea Nguyen Tuan Hung, assistente professore presso il Frontier Institute for Interdisciplinary Science (FRIS), Università di Tohoku. "In particolare, abbiamo scoperto che l'impilamento AA, in cui gli atomi nello strato superiore si sovrappongono direttamente agli atomi nello strato inferiore, e l'impilamento AB, in cui gli atomi nello strato superiore non si sovrappongono direttamente agli atomi nello strato inferiore, hanno prodotto un triplice miglioramento del primo nella risposta ottica non lineare dell'SHG." Questa previsione teorica concorda con il fatto che nell'esperimento l'intensità del picco SHG è quattro volte maggiore per l'impilamento AA che per l'impilamento AB.
"Pertanto, abbiamo suggerito che l'intensità SHG è anche un modo utile per determinare come sono impilati gli strati di materiali 2D", ha affermato Nguyen. Inoltre, i ricercatori suggeriscono che l'aggiunta di deformazione laterale (fino al 20%) a questi materiali può aumentare ulteriormente e in modo significativo l'intensità della luce."
"La nostra ricerca introduce una nuova categoria di materiali che producono SHG e possiamo realizzarli in modo flessibile utilizzando materiali 2D", aggiunge Nguyen.
Ulteriori informazioni: Nguyen Tuan Hung et al, Risposte ottiche non lineari di strati eterobi Janus MoSSe/MoS2 ottimizzate mediante ordine di impilamento e deformazione, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c04436
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito dall'Università di Tohoku
