Использование сложных методов для вычисления максимальных оптических свойств двумерных материалов

Исследователи, которые разрабатывают оптоэлектронику – электронные устройства, способные взаимодействовать со светом для выполнения задач, очень заинтригованы потенциалом полупроводниковых или металлических материалов для поглощения, отражения и воздействия света. В настоящее время исследователи из Университета Райса разработали методику для выяснения свойств тонкодисперсных материалов, которые кажутся благоприятными для улучшения модуляции и манипуляции светом.

Исследователи риса смоделировали двумерные материалы для количественной оценки того, как они реагируют на свет. Они подсчитали, как материалы с толщиной атома в одиночных или многослойных слоях будут передавать, поглощать и отражать свет. Графики, приведенные выше, определяют максимальную поглощенность нескольких из 55 протестированных материалов. (Image credit: Yakobson Research Group)

С момента, когда графен, плоская решетка атомов углерода, был изобретен в 2001 году, двумерные (2D) материалы были горячей темой исследований. С того времени исследователи стремились создать теоретически или в лаборатории инновационные 2D-материалы с различными электронными, оптическими и физическими свойствами.

На сегодняшний день нет исчерпывающего руководства по оптическим свойствам, проявляемым такими материалами, как ультратонкие передатчики, отражатели или поглотители.

Рисовая лаборатория теоретиков материалов Бориса Якобсона восприняла это как вызов. Якобсон и его коллеги, аспирант и ведущий автор Sunny Gupta, докторант-исследователь Шармила Широдкар и научный сотрудник Алекс Кутана, использовали сложные теоретические методы для вычисления максимальных оптических свойств 55 2D-материалов.

Теперь важно понять, что мы понимаем протокол, что мы можем использовать его для анализа любого 2D-материала . Это большое вычислительное усилие, но теперь можно оценить любой материал на более глубоком количественном уровне .

Sunny Gupta, L ead Автор

Исследование, которое будет опубликовано в этом месяце в журнале American Chemical Society ACS Nano описывает характеристики пропускания, поглощения и отражательной способности монослоев, которые все вместе называются TAR. На наноуровне свет обладает способностью взаимодействовать с материалами особыми способами, инициируя электрон-фотонные взаимодействия или активируя плазмоны, которые поглощают свет на одной частоте и излучают его на другой частоте.

Способность манипулировать 2D-материалами позволяет ученым создавать все более мелкие устройства, такие как световые схемы или датчики. Однако, в первую очередь, он помогает в изучении степени чувствительности материала к определенной длине волны света, от инфракрасного до видимого цвета до ультрафиолета.

. Как правило, общая мудрость заключается в том, что 2D-материалы настолько тонкие, что они должны казаться по существу прозрачными, с незначительным отражением и поглощением . Удивительно, но мы обнаружили, что каждый материал имеет выразительную оптическую подпись, причем большая часть света определенного цвета (длины волны) поглощается или отражается .

Борис Якобсон, теоретик

. Коллеги предполагают, что поляризационные фильтры и фотодетектирующие и модулирующие устройства станут применимыми для 2D-материалов с направленно зависимыми оптическими свойствами. « Многослойные покрытия могут обеспечить хорошую защиту от излучения или света, например, от лазеров », – заявил Широкар. « В последнем случае могут потребоваться гетероструктурные (многослойные) пленки-покрытия дополнительных материалов. Большие интенсивности света могут приводить к нелинейным эффектам, и учет их, безусловно, потребует дальнейших исследований ».

Ученые смоделировали 2D-стеки, а также отдельные слои. « Стеки могут расширять спектральный диапазон или создавать новые функциональные возможности, такие как поляризаторы », – заявила Кутана. « Мы можем думать об использовании уложенных структур гетероструктур для хранения информации или даже для криптографии ».

В результате ученые подтвердили, что стопки графена и борофена чрезвычайно отражаются на среднем инфракрасном свете. Наиболее поразительным было то, что материал, состоящий из более чем 100 одноатомных слоев бора, который по-прежнему будет иметь толщину всего около 40 нм, будет отражать более 99% света от инфракрасного до ультрафиолета, превышая производительность объемного серебра и легированного графена.

Существует дополнительное преимущество, которое хорошо сочетается с художественной чувствительностью Якобсона. « Теперь, когда мы знаем оптические свойства всех этих материалов – цвета, которые они отражают и передают при попадании света, мы можем думать о создании витражных витражей в стиле Тиффани на наномасштабе », – сказал он. « Это было бы фантастически! »

Исследовательское бюро США и Фонд Роберта Уэлша поддержали это исследование. Вычислительные ресурсы были предоставлены Национальным научным фондом в кластере DAVinCI в Райсе, который велся Центром исследований и закупками в сотрудничестве с Институтом информационных технологий им. Кена Кеннеди в Рисе, Программой модернизации высокопроизводительных вычислений Министерства обороны и Департаментом Научный вычислительный центр по энергетическим наукам Национального научного центра энергетики.

Source link