Graphen und Laser - eine neue Revolution in der Materialwissenschaft

Einleitung: Graphen ist das leichteste Material, das jemals hergestellt wurde. Seine Festigkeit ist 100-mal so hoch wie die von Stahl. Es ist besser als die Leitfähigkeit und Flexibilität von Kupfer und weitgehend transparent.

Oft wird Band nicht als wissenschaftlich bahnbrechender Fortschritt angesehen. Aber als der Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov (beide gewannen 2010 den Nobelpreis für Physik) an der Universität Manchester und Kollegen in der Zeitschrift "Science The" ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten - die Verwendung von Klebeband zum Abziehen eines einzelnen Atomblatts von Kohlenstoffatome aus einem Stück Graphen, eine Studie, die langsam den Auftakt zur materialwissenschaftlichen Revolution eröffnete.

In den elf Jahren, seit das oben genannte Manchester-Forschungsteam seine Forschungsergebnisse veröffentlicht hat, sind die Forschungsergebnisse in verwandten Bereichen exponentiell gewachsen. Im vergangenen Jahr haben globale Forscher mehr als 15.000 Forschungsergebnisse zu Graphen veröffentlicht. Dieses Phänomen ist durchaus vernünftig: Graphen ist das leichteste Material, das jemals hergestellt wurde, seine Festigkeit ist 100-mal so hoch wie die von Stahl, seine Leitfähigkeit und Flexibilität sind besser als bei Kupfer und es ist weitgehend transparent. Die Forscher stellten sich jedes zukünftige Produkt auf Graphenbasis vor, von Computerchips der nächsten Generation über flexible Displays bis hin zu Batterien und Brennstoffzellen.

Graphen kann jedoch in Zukunft möglicherweise nicht seine eigene Wirkung als ideales Material erzielen, sondern als ein daraus abgeleitetes Produkt. Graphen hat zwar viele schillernde Vorteile, aber auch Nachteile, insbesondere die Unfähigkeit, als Halbleiter zu wirken - der Eckpfeiler der Mikroelektronik. Jetzt arbeiten Chemiker und Materialwissenschaftler hart daran, Graphen zu kreuzen und nach anderen Materialien zu suchen. Sie synthetisieren zwei weitere zweidimensionale Folienmaterialien, die Flexibilität und Transparenz mit elektronischen Eigenschaften kombinieren, mit denen Graphen nicht mithalten kann, und sie haben einige von ihnen zu schnellen elektronischen und optischen Geräten gemacht, die leicht und flexibel sind. Sie hoffen, dass diese Materialien das Rückgrat der zukünftigen Industrie bilden können.

Graphen eröffnet einen neuen Horizont für 2D-Materialien

In gewisser Weise sind 2D-Materialien keine völlig neuen Technologien. Seit den 1960er Jahren entwickeln Forscher Dünnschichtmaterialien in atomarer Form unter Verwendung von MBE-Maschinen (Molecular Number Epitaxy). MBE-Maschinen werden jedoch häufig zum Speichern von Materialien wie Silizium und Galliumarsenid verwendet - die atomaren Strukturen dieser kristallinen Materialien neigen dazu, dreidimensionale Strukturen zu bilden. Aus dieser Perspektive ist die von der MBE-Maschine hergestellte Atomschicht wie ein Stück Käse, eine zweidimensionale Version eines dreidimensionalen Materials.

Graphen ist anders, es ist eher wie ein Artikel in einem Buch, sagte Yi-HsienLee, Professor für Materialwissenschaft an der National Tsinghua University in Hsinchu, Taiwan. Zur Überraschung der Wissenschaftler stellten sie bei der Untersuchung von Graphen aus nächster Nähe fest, dass Bulk-Graphen keine leitenden und optischen Merkmale aufweist. "Die größte Lehre ist, dass Graphen nicht so unterschiedlich ist", sagte Zhang Yuanbo, Physiker für kondensierte Materie an der Fudan-Universität in Shanghai, China. Die Forscher sagten jedoch: "Graphen bringt zweidimensionale Materialien ins Rampenlicht."

Wenn es um High-Tech-Geräte geht, fällt die Aura von Graphen in Ohnmacht. Die meisten Materialien, die im elektronischen Zeitalter als wertvoll angesehen werden, sind Halbleiter, und Graphen ähnelt eher einem Metallleiter. "Graphen ist in der Tat ein unschätzbares Material", sagt David Tomanek, Physiker für kondensierte Materie an der Michigan State University. "Aber es passt nicht zur Elektronikindustrie."

Graphen öffnet den Wissenschaftlern jedoch die Augen und ermöglicht ihnen, sich auf die neue Welt der planaren Elektronik zu konzentrieren. Sie sahen Materialien ähnlich wie Graphen, aber mit neuen optoelektronischen Eigenschaften. Sie entwarfen eine einzelne Schicht aus Silizium (Silikon), eine einzelne Schicht aus Germanium (Decen) und eine einzelne Schicht aus Zinn (Zinn). Sie haben Nitrieren geschaffen. Ein Isolator aus Bor, der eine käfigartige Gitterstruktur wie Graphen aufweist; Sie stellen hocheffiziente Katalysator-Monoschicht-Metalloxide her, mit denen bestimmte chemische Reaktionen gesteuert werden können. Sie schließen sogar Wassermoleküle in zweidimensionale Schichten ein, obwohl die Verwendung noch unklar ist.

Derzeit konzentrieren sich die meisten Forschungsarbeiten zu planaren Materialien auf zwei Materialien: eines wird als Verbindung namens Molybdändisulfid (MoS2) bezeichnet; Der andere ist ein zweidimensionaler schwarzer Phosphor-Einkristall (oder schwarzer) Phosphor, eine einzelne Schicht von Phosphoratomen. Beide Materialien haben attraktive elektronische Eigenschaften und der Wettbewerb unter ihren Forschern ist äußerst intensiv.

Molybdändisulfid, optisches Gerät bevorzugtes Material

Unter den beiden Materialien ist die Molybdändisulfidforschung die erste, die beginnt. Molybdändisulfid wurde 2008 synthetisiert und gehört zur großen Familie der Übergangsmetalldisulfidmaterialien (TMDs). Dieser scheinbar "ausgefallene" Name repräsentiert ihre Struktur: ein Übergangsmetallatom (dh ein Molybdänatom) und ein Paar Atome aus der 16. Spalte des Periodensystems, einschließlich Schwefel und Selen. Das Familienelement ist berühmt).

Zur Überraschung der Elektronikhersteller sind alle TMDs Halbleiter. Sie sind nahezu identisch mit der Dünnheit von Graphen (in Molybdändisulfid belegen zwei Schichten von Schwefelatomen eine Schicht von Molybdänatomen wie ein "Sandwich"), haben jedoch andere Vorteile. Einer der Vorteile in Bezug auf Molybdändisulfid ist die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen in planaren Flocken bewegen, dh die Elektronenmobilität. Die Elektronenmobilität von Molybdändisulfid beträgt etwa 100 cm 2 / vs (dh 100 Elektronen pro Quadratzentimeter pro Voltsekunde), was viel geringer ist als die Elektronenmobilität von kristallinem Silizium von 1400 cm 2 / vs, aber kleiner als amorphes Silizium und andere ultradünne Halbleiter. Die Migrationsrate ist besser, und Wissenschaftler untersuchen diese Materialien für zukünftige elektronische Produkte wie flexible Displays und andere flexible elektronische Produkte.

Studien haben gezeigt, dass Molybdändisulfid auch für die Herstellung großer Stücke zweidimensionaler Materialien sehr einfach herzustellen ist. Auf diese Weise können Ingenieure ihre Leistung in der Elektronik bei sehr hohen Geschwindigkeiten testen. Zum Beispiel veröffentlichte 2011 ein Forschungsteam unter der Leitung von AndrasKis von der Eidgenössischen Technischen Hochschule einen Artikel in Nature-Nanotechnology, in dem es hieß, die ersten Transistoren mit einer einzigen Schicht Molybdändisulfid herzustellen, die nur 0,65 nm dick war. Es stellt sich heraus, dass diese Produkte und nachfolgende Produkte andere einzigartige Eigenschaften aufweisen als die technologisch fortschrittlicheren Gegenstücke auf Siliziumbasis.

Darüber hinaus hat Molybdändisulfid andere wünschenswerte Eigenschaften, die direkte Bandlücke, die es dem Material ermöglicht, Elektronen in Photonen umzuwandeln und umgekehrt. Dieses Merkmal macht Molybdändisulfid auch zu einem guten Kandidaten für die Verwendung in optischen Geräten wie Lichtemittern, Lasern, Fotodetektoren und sogar Solarzellen. Einige Wissenschaftler sagen, dass dieses Material auch reich an Reserven, niedrig im Preis und ungiftig ist. Yi-HsienLee glaubt daher: "Die Zukunft ist vielversprechend."

Tomanek ist jedoch der Ansicht, dass die Elektronentransferrate von Molybdändisulfid immer noch nicht hoch genug ist, um auf dem überfüllten Elektronikmarkt wettbewerbsfähig zu sein. Der Grund dafür sind die strukturellen Eigenschaften dieses Materials. Wenn sich Elektronen nach innen bewegen, explodieren sie in ihren Strukturen, wenn sie auf ein großes Metallatom treffen, wodurch die Migrationsgeschwindigkeit verringert wird.

Einige Wissenschaftler sagen jedoch, dass dieser Stolperstein vorübergehend sein wird. Die Forscher versuchen, diese Hindernisse zu umgehen, indem sie eine etwas dickere Schicht aus Molybdändisulfidschichten herstellen, die komprimierten Elektronen einen Weg bieten, Straßensperren zu umgehen. "Zu diesem Zeitpunkt wird das Migrationsproblem von Molybdändisulfid gelöst", sagte Yi-HsienLee.

Schwarzer Phosphor, der neue Favorit unter den Materialien für elektronische Geräte

Der Konkurrent von Molybdändisulfid, einem zweidimensionalen schwarzen Phosphor-Einkristall (auch als schwarzer Phosphor bekannt), scheint die Wissenschaftler aufgeregter zu machen. Ein zweidimensionaler schwarzer Phosphor-Einkristall ist eine von drei verschiedenen Kristallstrukturen (oder Allotropen), die durch reinen Phosphor gebildet werden können. Die anderen beiden Materialien sind weißer Phosphor zur Herstellung von Feuerwerkskörpern und roter Phosphor zur Herstellung von Streichholzköpfen.

Der zweidimensionale schwarze Phosphor-Einkristall besteht aus gewellten Phosphoratomen auf zwei Ebenen, die letztes Jahr synthetisiert wurden. Aber seine Eigenschaften haben es zum Liebling der Materialwissenschaften gemacht, mit einer Elektronentransferrate von 600 cm2 / vs. Einige Forscher hoffen, diese Rate weiter zu erhöhen; Gleichzeitig ist seine Zwischenbandlücke (das elektrische Volt, das erforderlich ist, um Strom durch die Substanz zu leiten) einstellbar. Das heißt, der Elektronikingenieur kann die Bandlücke einstellen, indem er einfach den Stapel des zweidimensionalen schwarzen Phosphor-Einkristalls ändert. Dies ist vorteilhaft für die Gestaltung der gewünschten Bandlücke gemäß spezifischen Anforderungen. "All diese Eigenschaften machen zweidimensionale schwarze Phosphor-Einkristalle zu einem Supermaterial", sagte Tomanek.

Die Forscher treiben die Kommerzialisierung zweidimensionaler Schwarzphosphor-Einkristalle mit extrem hoher Geschwindigkeit voran. Am 2. März letzten Jahres veröffentlichten Zhang Yuanbo und andere Kollegen der Fudan-Universität einen Online-Bericht in Nature-Nanotechnology, in dem sie sagten, sie hätten eine Kristalltriode hergestellt, die auf einem zweidimensionalen Schwarzphosphor-Einkristall basiert - einem Produkt in einer Computerlogikschaltung. Spielen Sie eine "Herz" -Rolle. Zwei Wochen später veröffentlichten Tomanek und Kollegen im Journal of the Nano der American Chemical Society einen Bericht über die Verwendung zweidimensionaler Schwarzphosphor-Einkristalltransistoren.

Leider ist der zweidimensionale schwarze Phosphor-Einkristall in der Luft instabil. "Nach 24 Stunden können wir die Blasen auf der Oberfläche des Materials sehen, und dann fällt das gesamte Gerät innerhalb weniger Tage aus", sagte Joon-SeokKim, ein zweidimensionaler Einkristallexperte für schwarzen Phosphor an der University of Texas in Austin. Experten sagen, der Schuldige sei Wasserdampf, der mit Phosphor reagiert, um Phosphor in Phosphorsäure umzuwandeln und Korrosion zu verursachen. Trotzdem versuchen Kims Forschungsteam und andere Forscher immer noch, dieses Problem zu lösen. Zum Beispiel sagte Kim in einem Bericht der American Physical Society im März, dass er und seine Kollegen Transistoren, die auf zweidimensionalen Schwarzphosphor-Einkristallen basieren, bereits drei Monate lang aufbewahren könnten - indem sie sie in Aluminiumoxid und Teflon im Kompartiment einkapseln.

Yi-HsienLee ist jedoch der Ansicht, dass diese Methode die Langzeitstabilität des Materials nicht garantiert. "Sie können dem Produkt eine Schutzschicht hinzufügen, dies verlangsamt jedoch nur die Alterungsrate." Er argumentiert, dass der Grund, warum zweidimensionale Einkristalle aus schwarzem Phosphor von einigen Forschern bevorzugt werden, darin besteht, dass dieses Material einfach zu verwenden ist: Wie Graphen lassen sich die schwarzen Phosphorflocken leicht mit einem transparenten Klebeband abziehen. "Dies ist die gleiche Methode", sagt Yi-HsienLee. "Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Aussicht auf zweidimensionale Einkristalle aus schwarzem Phosphor gut ist."

Am Ende können beide Materialien viel Raum für Entwicklung haben. "Wir fangen gerade erst an", sagte der Physiker Luis Balicus von der Florida State University. Er sagte, dass Ingenieure im Laufe der Zeit die starke Wechselwirkung von Molybdändisulfid mit Licht nutzen werden, um Solarzellen, Lichtemitter und andere optische Geräte herzustellen. Gleichzeitig wird die hohe Elektronenmobilität zweidimensionaler schwarzer Phosphor-Einkristalle verbessert und zur Herstellung elektronischer Geräte verwendet.

Graphen und Laser

1. Neuer Graphen-Fotodetektor

Spanische und amerikanische Wissenschaftler haben zusammengearbeitet, um einen Photodetektorkonverter auf Graphenbasis zu entwickeln, der Licht in weniger als 50 Femtosekunden (eine Milliardstel Sekunde) in elektrische Signale umwandelt. Nahe der Grenze der Geschwindigkeit der photoelektrischen Umwandlung wird die Entwicklung vieler Bereiche erheblich gefördert.

Eine effiziente fotoelektrische Umwandlungstechnologie spielt eine wichtige Rolle in vielen technischen Schlüsselbereichen von der Kamera bis zur Solarzelle und ist auch eine wichtige Unterstützung für Datenkommunikationsanwendungen, da sie die vom Licht übertragenen Informationen in ein elektrisches Signal umwandeln kann, das in elektronischen Schaltkreisen verarbeitet werden kann . Obwohl Graphen ein Material mit extrem hoher photoelektrischer Umwandlungseffizienz ist, wissen Wissenschaftler nicht, wie schnell es auf ultrakurze optische Impulse reagiert.

Nun Professor Frank Koppons, Forscher am spanischen Institut für Photonik, Nilke Van Hirst vom Institut für fortgeschrittene Studien in Katalonien und Pablo Galliolo vom Massachusetts Institute of Technology -Hero sowie ein Forschungsteam unter der Leitung von Liu Jinning, einem Professor of Physics an der University of California, Riverside, entwickelte den Photodetektorkonverter auf Graphenbasis, der in weniger als 50 Femtosekunden leuchten kann, in Elektrizität umgewandelt wird und die Geschwindigkeit der photoelektrischen Umwandlung an ihre Grenzen stößt. Die neuesten Forschungsergebnisse wurden in der kürzlich veröffentlichten Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher ultraschnelle gepulste Laseranregung und ultrahochempfindliche elektronische Auslesemethoden. Der Forscher Kras-Jan Tell sagte: "Die Einzigartigkeit dieses Experiments besteht darin, dass die ultraschnelle Pulsformungstechnologie der ultraschnellen Einzelmolekülphotonik perfekt mit der elektronischen Graphentechnologie kombiniert wird. Außerdem ermöglicht die nichtlineare photothermoelektrische Reaktion von Graphen Wissenschaftlern die Umwandlung Licht in so kurzer Zeit in elektrische Signale. "

Forscher sagen, dass es aufgrund der ultraschnellen und ultraleffizienten Korrelation zwischen allen Leitungsbandträgern in Graphen möglich ist, schnell Photospannungen in Graphen zu erzeugen. Diese Korrelation ermöglicht es ihnen, mit steigender Elektronentemperatur schnell eine elektronische Verteilung zu erstellen. Infolgedessen kann die vom Licht absorbierte Energie effizient und schnell in Elektronenwärme umgewandelt werden. Anschließend wird am Übergang der beiden Graphenbereiche mit zwei unterschiedlichen Dotierungen die Wärme der Elektronen in eine Spannung umgewandelt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass dieser photothermografische Effekt fast gleichzeitig auftritt und das absorbierte Licht schnell in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann.

Forscher sagen, dass die neuesten Forschungsergebnisse einen neuen Weg zur ultraschnellen photoelektrischen Umwandlung eröffnen. Copps betonte: "Die Graphen-Fotodetektoren haben eine erstaunliche Leistung und können in vielen Bereichen eingesetzt werden."

2. Von Graphenmaterialien wird erwartet, dass sie einen neuen Breitbandlaser hervorbringen

Das internationale Forschungsteam des Helsindorf Research Center (HZDR) in Helmholtz soll die Entwicklung neuer Breitbandlaser für die Dynamik von Elektronen in Graphen unter Einwirkung starker Magnetfelder fördern.

Die Forscher platzierten Graphen in einem Magnetfeld von 4 Tesla und zwangen die Elektronen im Material unter Einwirkung des Magnetfelds, ein bestimmtes Energieniveau zu bilden, das als Landau-Niveau bezeichnet wird. Die Forscher untersuchten diese Energieniveaus dann mit freien Elektronenlasern. Dr. Martin Mittendorff sagte: "Der Laserpuls regt Elektronen an und geht auf ein bestimmtes Landau-Niveau über. Dann mit zeitverzögerten Impulsen, um zu erkennen, wie das System funktioniert." Die Forscher fanden heraus, dass der Laser einige neue Elektronen in das System pumpte. Die Landau-Ebene und dann diese Landau-Ebenen wurden auf unerwartete Weise allmählich ausgehöhlt. Sie glauben, dass dies durch eine Kollision zwischen Elektronen verursacht wird.

Dr. Stephan Winnerl machte eine Analogie, um den Prozess zu erklären: „Stellen Sie sich eine Bibliothekarin vor, die ein Buch in einem dreistöckigen Regal aufräumt, jeweils ein Buch aufstellt und das Buch auf das untere Regal des Bücherregals im mittleren Regal stellt . Ihr Sohn half ihr auch bei ihr und nahm jedes Mal zwei Bücher aus dem mittleren Regal, eines im oberen Regal und eines im unteren Regal. Ihr Sohn hofft sehr, dass das mittlere Regal die Anzahl der darauf platzierten Bücher verringert, auch wenn die mittlere Trennwand das Regal ist, in dem seine Mutter das Buch füllen möchte. “ Winnerl sagte, die Forscher wollten nicht, dass der als Auger-Streuung bekannte Effekt zu stark ist oder sich auf die Elektronik des Energieniveaus auswirkt.

Die Platzierung von Graphen in einem Magnetfeld zeigt viele Effekte, und Elektronen wurden bisher in der Kinetik dieses Systems nicht untersucht. Die Forscher glauben, dass das gefundene Phänomen das Potenzial hat, Laser zu erzielen, und dass die resultierenden Laserwellenlängen im Infrarot- und Terahertz-Bereich beliebig eingestellt werden können.

Winnerl sagte: "Dieser Landau-Laser galt lange Zeit als unerreichbar. Mit Graphen wird der Traum der Halbleiterphysiker wahrscheinlich Wirklichkeit."

3. Graphen oder ersetzt SESAM als Kernmaterial des Femtosekundenfaserlasers

Femtosekundenfaserlaser werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich Laserbildgebung, holographischer Spektroskopie und ultraschneller Photonik sowie Laserbearbeitung, Lasermedizin (wie Augenchirurgie) und Laserradar. Die traditionelle Femtosekundenfaser-Laserkernvorrichtung, der Halbleiter-Sättigungsabsorptionsspiegel (SESAM), wird durch einen Halbleiterwachstumsprozess hergestellt, der teuer ist und ein technologisches Monopol aufweist.

Auf dem Gebiet der Femtosekundenfaserlaser gilt Graphen als das beste Material, um SESAM zu ersetzen. Die Gewinner des Nobelpreises für Physik 2010 sagten voraus, dass die Graphen-Femtosekunden-Faserlaser voraussichtlich um 2018 industrialisiert werden. Um eine echte Industrialisierung zu erreichen, ist es notwendig, eine Reihe von Schlüsseltechnologien zu lösen, wie z. Kostengünstiger Graphen-Transfer, Graphen- und Lichtfeld-Wechselwirkung, Graphen-gesättigte Absorber-Verpackung und Kontrolle der Stabilität der Laserleistung. Nach Jahren kontinuierlicher Forschung überwindet Taizhou Junna New Energy Co., Ltd. diese Schlüsseltechnologien erfolgreich und ist der erste, der die Kommerzialisierung von Graphen-Femtosekunden-Faserlasern realisiert. Die Hauptleistungsindikatoren sind höher als bei ähnlichen Produkten, mit hoher Kostenleistung und starker Wettbewerbsfähigkeit auf dem Leistungsmarkt.

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