En la última decada, bidimensional, 2-D, Los materiales han capturado la fascinación de un número cada vez mayor de científicos. Estos materiales, cuya característica definitoria es tener un grosor de solo uno a muy pocos átomos, puede estar hecho de una variedad de elementos diferentes o combinaciones de los mismos. El encanto de los científicos con los materiales 2-D comenzó con el experimento ganador del Premio Nobel de Andre Geim y Konstantin Novoselov:crear un material 2-D utilizando un trozo de grafito y cinta adhesiva común. Este experimento ingeniosamente simple produjo un material increíble:el grafeno. Este material ultraligero es aproximadamente 200 veces más resistente que el acero y es un excelente conductor. Una vez que los científicos descubrieron que el grafeno tenía propiedades más impresionantes que su componente principal, el grafito, decidieron investigar otros materiales 2-D para ver si se trataba de una propiedad universal.

Christopher Petoukhoff, un estudiante graduado de la Universidad de Rutgers que trabaja en la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundo en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), estudia un material 2-D, hecho de bisulfuro de molibdeno (MoS2). Su investigación se centra en las aplicaciones optoelectrónicas del material 2-D, o cómo el material puede detectar y absorber la luz. La optoelectrónica es omnipresente en el mundo actual, de los fotodetectores en puertas automáticas y secadores de manos, a las células solares, a las luces LED, pero como cualquiera que se haya parado frente a un fregadero automático agitando desesperadamente sus manos para que funcione, le dirá:hay mucho margen de mejora. El 2-D MoS2 es particularmente interesante para su uso en fotodetectores debido a su capacidad de absorber la misma cantidad de luz que 50 nm de las tecnologías basadas en silicio actualmente utilizadas. siendo 70 veces más delgado.

Petoukhoff, bajo la supervisión del profesor Keshav Dani, busca mejorar los dispositivos optoelectrónicos agregando una capa 2-D de MoS2 a un semiconductor orgánico, que tiene fuerzas de absorción similares a MoS2. La teoría detrás del uso de ambos materiales es que la interacción entre la capa de MoS2 y el semiconductor orgánico debería conducir a una transferencia de carga eficiente. La investigación de Petoukhoff, publicado en ACS Nano , demuestra por primera vez que la transferencia de carga entre estas dos capas se produce en una escala de tiempo ultrarrápida, del orden de menos de 100 femtosegundos, o una décima de una millonésima de una millonésima de segundo.

La delgadez de estos materiales, sin embargo, se convierte en un factor limitante en su eficiencia como fotovoltaica, o dispositivos de conversión de energía luminosa. Dispositivos de absorción de luz, como células solares y fotodetectores, requieren una cierta cantidad de espesor óptico para absorber fotones, en lugar de permitirles pasar. Para superar esto, investigadores de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos agregaron una serie de nanopartículas de plata, o una metasuperficie plasmónica, al híbrido semiconductor orgánico-MoS2 para enfocar y localizar la luz en el dispositivo. La adición de la metasuperficie aumenta el grosor óptico del material mientras capitaliza las propiedades únicas de la capa activa ultrafina, que finalmente aumentan la absorción total.

Si bien esta investigación aún está en pañales, sus implicaciones para el futuro son enormes. Las combinaciones con materiales 2-D tienen el potencial de revolucionar la comerciabilidad de los dispositivos optoelectrónicos. Los dispositivos optoelectrónicos convencionales son costosos de fabricar y a menudo están hechos de elementos escasos o tóxicos. como indio o arsénico. Los semiconductores orgánicos tienen bajos costos de fabricación, y están hechos de elementos no tóxicos y abundantes en la tierra. Esta investigación puede potencialmente mejorar el costo y la eficiencia de la optoelectrónica, conduciendo a mejores productos en el futuro.