Investigadores de la Universidad de Kansas han conectado una capa de grafeno con otras dos capas atómicas (diselenuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno), extendiendo así la vida útil de los electrones excitados en el grafeno en varios cientos de veces. Crédito:Matthew Bellus
En 2010, el Premio Nobel de Física fue para los descubridores del grafeno. Una sola capa de átomos de carbono, el grafeno posee propiedades que son ideales para una gran cantidad de aplicaciones. Entre los investigadores, el grafeno ha sido el material más popular durante una década. Solo en 2017, mas de 30, Se publicaron 000 artículos de investigación sobre el grafeno en todo el mundo.
Ahora, dos investigadores de la Universidad de Kansas, El profesor Hui Zhao y el estudiante graduado Samuel Lane, ambos del Departamento de Física y Astronomía, han conectado una capa de grafeno con otras dos capas atómicas (diselenuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno) extendiendo así la vida útil de los electrones excitados en el grafeno en varios cientos de veces. El hallazgo se publicará en Nano Futures, una revista recientemente lanzada y altamente selectiva.
El trabajo en KU puede acelerar el desarrollo de células solares ultrafinas y flexibles con alta eficiencia.
Para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas, el grafeno tiene una excelente propiedad de transporte de carga. Según los investigadores, los electrones se mueven en el grafeno a una velocidad de 1/30 de la velocidad de la luz, mucho más rápido que otros materiales. Esto podría sugerir que el grafeno se puede utilizar para células solares, que convierten la energía de la luz solar en electricidad. Pero el grafeno tiene un inconveniente importante que dificulta tales aplicaciones:su vida útil ultracorta de electrones excitados (es decir, el tiempo que un electrón permanece móvil) de solo un picosegundo (una millonésima de una millonésima de segundo, o 10 -12 segundo).
"Estos electrones excitados son como estudiantes que se levantan de sus asientos, después de una bebida energética, por ejemplo, que activa a los estudiantes como la luz del sol activa electrones, ", Dijo Zhao." Los estudiantes llenos de energía se mueven libremente en el aula, como una corriente eléctrica humana ".
El investigador de KU dijo que uno de los mayores desafíos para lograr una alta eficiencia en las células solares con grafeno como material de trabajo es que liberan electrones, o los estudiantes de pie:tienen una fuerte tendencia a perder su energía y quedarse inmóviles, como estudiantes que vuelven a sentarse.
"El número de electrones, o estudiantes de nuestro ejemplo, quién puede contribuir a la corriente está determinado por el tiempo promedio que pueden permanecer en movimiento después de ser liberados por la luz, "Dijo Zhao." En grafeno, un electrón permanece libre por sólo un picosegundo. Esto es demasiado corto para acumular una gran cantidad de electrones móviles. Esta es una propiedad intrínseca del grafeno y ha sido un gran factor limitante para la aplicación de este material en dispositivos fotovoltaicos o fotosensibles. En otras palabras, aunque los electrones en el grafeno pueden volverse móviles por excitación de la luz y pueden moverse rápidamente, sólo permanecen en movimiento demasiado poco tiempo para contribuir a la electricidad ".
En su nuevo periódico, Zhao y Lane informan que este problema podría resolverse utilizando los llamados materiales de van der Waals. El principio de su enfoque es bastante sencillo de entender.
"Básicamente, quitamos las sillas de los estudiantes que estaban de pie para que no tuvieran dónde sentarse, ", Dijo Zhao." Esto obliga a los electrones a permanecer móviles durante un tiempo que es varios cientos de veces más largo que antes ".
Para alcanzar esta meta, trabajando en el laboratorio de láser ultrarrápido de KU, diseñaron un material de tres capas poniendo capas individuales de MoSe 2 , WS 2 y grafeno uno encima del otro.
"Podemos pensar en el MoSe 2 y capas de grafeno como dos aulas llenas de estudiantes todos sentados, mientras que el medio WS 2 La capa actúa como un pasillo que separa las dos habitaciones, "Dijo Zhao." Cuando la luz incide en la muestra, algunos de los electrones en MoSe2 se liberan. Se les permite cruzar el pasillo de la capa WS2 para ingresar a la otra habitación, que es el grafeno. Sin embargo, el pasillo está cuidadosamente diseñado para que los electrones tengan que dejar sus asientos en MoSe 2 . Una vez en grafeno, no tienen más remedio que mantenerse en movimiento y, por lo tanto, contribuir a las corrientes eléctricas, porque sus asientos ya no están disponibles para ellos ".
Para demostrar que la idea funciona, los investigadores de KU utilizaron un pulso láser ultracorto (0,1 picosegundos) para liberar algunos de los electrones en MoSe 2 . Al utilizar otro pulso láser ultracorto, pudieron monitorear estos electrones a medida que se mueven hacia el grafeno. Descubrieron que estos electrones se mueven a través del "pasillo" en aproximadamente 0,5 picosegundos en promedio. Luego permanecen móviles durante unos 400 picosegundos, una mejora de 400 veces que una sola capa de grafeno. que también midieron en el mismo estudio.
Los investigadores también confirman "asientos" que quedan en MoSe 2 también permanecer desocupado durante la misma cantidad de tiempo. En el mundo clásico estos asientos deben permanecer vacíos para siempre. En mecánica cuántica, sin embargo, los electrones "hacen un túnel" de regreso a estos asientos. Los investigadores proponen que este proceso determina la vida útil de los electrones móviles. Entonces, eligiendo diferentes capas de "pasillo", este tiempo se puede controlar para varias aplicaciones.
