En 2010, le prix Nobel de physique est allé aux découvreurs du graphène. Une seule couche d'atomes de carbone, Le graphène possède des propriétés idéales pour une multitude d'applications. Parmi les chercheurs, Le graphène est le matériau le plus chaud depuis une décennie. Rien qu'en 2017, plus de 30, 000 articles de recherche sur le graphène ont été publiés dans le monde.

Maintenant, deux chercheurs de l'Université du Kansas, Professeur Hui Zhao et étudiant diplômé Samuel Lane, tous deux du Département de physique et d'astronomie, ont connecté une couche de graphène à deux autres couches atomiques (diséléniure de molybdène et disulfure de tungstène) prolongeant ainsi de plusieurs centaines de fois la durée de vie des électrons excités dans le graphène. La découverte sera publiée sur Nano Futures, une revue nouvellement lancée et hautement sélective.

Les travaux de la KU pourraient accélérer le développement de cellules solaires ultrafines et flexibles à haut rendement.

Pour les applications électroniques et optoélectroniques, le graphène a une excellente propriété de transport de charge. Selon les chercheurs, les électrons se déplacent dans le graphène à une vitesse de 1/30 de la vitesse de la lumière, bien plus rapidement que les autres matériaux. Cela pourrait suggérer que le graphène peut être utilisé pour les cellules solaires, qui convertissent l'énergie du soleil en électricité. Mais le graphène a un inconvénient majeur qui entrave de telles applications - sa durée de vie ultracourte des électrons excités (c'est-à-dire, le temps qu'un électron reste mobile) d'environ une picoseconde seulement (un millionième d'un millionième de seconde, ou 10 ^-12 seconde).

"Ces électrons excités sont comme des étudiants qui se lèvent de leur siège - après une boisson énergisante, par exemple, qui active les étudiants comme la lumière du soleil active les électrons, " a déclaré Zhao. " Les élèves sous tension se déplacent librement dans la salle de classe, comme le courant électrique humain. "

Le chercheur de la KU a déclaré que l'un des plus grands défis pour atteindre un rendement élevé dans les cellules solaires avec du graphène comme matériau de travail est que les électrons libérés - ou, les élèves debout - ont une forte tendance à perdre leur énergie et à devenir immobiles, comme des étudiants se rasseyant.

"Le nombre d'électrons, ou des étudiants de notre exemple, qui peut contribuer au courant est déterminé par le temps moyen pendant lequel ils peuvent rester mobiles après avoir été libérés par la lumière, " dit Zhao. " En graphène, un électron ne reste libre que pendant une picoseconde. C'est trop court pour accumuler un grand nombre d'électrons mobiles. Il s'agit d'une propriété intrinsèque du graphène et a été un facteur limitant important pour l'application de ce matériau dans les dispositifs photovoltaïques ou photodétecteurs. En d'autres termes, bien que les électrons du graphène puissent devenir mobiles par excitation lumineuse et se déplacer rapidement, ils ne restent mobiles que trop peu de temps pour contribuer à l'électricité."

Dans leur nouveau papier, Zhao et Lane rapportent que ce problème pourrait être résolu en utilisant les matériaux dits van der Waals. Le principe de leur approche est assez simple à comprendre.

"Nous avons essentiellement enlevé les chaises aux étudiants debout afin qu'ils n'aient nulle part où s'asseoir, " a déclaré Zhao. "Cela oblige les électrons à rester mobiles pendant un temps plusieurs centaines de fois plus long qu'auparavant."

Pour atteindre cet objectif, travaillant dans le laboratoire laser ultrarapide de KU, ils ont conçu un matériau à trois couches en mettant des couches simples de MoSe 2 , WS 2 et le graphène les uns sur les autres.

"On peut penser au MoSe 2 et des couches de graphène comme deux salles de classe pleines d'étudiants tous assis, tandis que le milieu WS 2 couche fait office de couloir séparant les deux pièces, " dit Zhao. " Quand la lumière frappe l'échantillon, certains des électrons du MoSe2 sont libérés. Ils sont autorisés à traverser le couloir de la couche WS2 pour entrer dans l'autre pièce, qui est le graphène. Cependant, le couloir est soigneusement conçu pour que les électrons doivent quitter leurs sièges dans MoSe 2 . Une fois dans le graphène, ils n'ont d'autre choix que de rester mobiles et donc de contribuer aux courants électriques, parce que leurs sièges ne leur sont plus disponibles."

Pour démontrer que l'idée fonctionne, les chercheurs de la KU ont utilisé une impulsion laser ultracourte (0,1 picoseconde) pour libérer une partie des électrons du MoSe 2 . En utilisant une autre impulsion laser ultracourte, ils ont pu surveiller ces électrons lorsqu'ils se déplacent vers le graphène. Ils ont découvert que ces électrons se déplacent dans le "couloir" en environ 0,5 picoseconde en moyenne. Ils restent ensuite mobiles pendant environ 400 picosecondes, soit une amélioration de 400 fois par rapport à une seule couche de graphène, qu'ils ont également mesuré dans la même étude.

Les chercheurs confirment également des "sièges" laissés dans le MoSe 2 restent également inoccupés pendant le même laps de temps. Dans le monde classique, ces sièges devraient rester vides pour toujours. En mécanique quantique, cependant, les électrons "tunnel" vers ces sièges. Les chercheurs proposent que ce processus détermine la durée de vie des électrons mobiles. Donc, en choisissant différentes couches "couloir", ce temps peut être contrôlé pour diverses applications.