En 2010, el Premio Nobel de Física fue para los descubridores de grafeno. Una sola capa de átomos de carbono, el grafeno posee propiedades ideales para una gran cantidad de aplicaciones. Entre los investigadores, el grafeno ha sido el material más popular durante una década.Solo en 2017, se publicaron más de 30,000 trabajos de investigación sobre 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 asívida útil de los electrones excitados en el grafeno por varios cientos de veces. El hallazgo se publicará el Nano Futuros , una revista recién 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 puedepuede usarse 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 ultra corta de electrones excitados es decir, el tiempo que un electrón permanece móvil de solo un picosegundo uno-milésima de una millonésima de segundo, o 10-12 segundos.
"Estos electrones excitados son como los estudiantes que se levantan de sus asientos, después de una bebida energética, por ejemplo, que activa a los estudiantes como la luz solar activa los electrones", dijo Zhao. "Los estudiantes energizados se mueven libremente en el aula, como humanoscorriente eléctrica."
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 los electrones liberados, o los estudiantes en pie, tienen una fuerte tendencia a perder su energía e inmóviles, comoestudiantes sentados de nuevo.
"La cantidad de electrones, o estudiantes de nuestro ejemplo, que pueden contribuir a la corriente está determinada por el tiempo promedio que pueden permanecer móviles después de ser liberados por la luz", dijo Zhao. "En grafeno, un electrón permanece libre durantesolo 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 aplicar este material en dispositivos fotovoltaicos o fotosensibles. En otras palabras, aunque los electrones enel grafeno puede volverse móvil por la excitación de la luz y puede moverse rápidamente, solo permanecen móviles por un tiempo demasiado corto como para contribuir a la electricidad ".
En su nuevo documento, Zhao y Lane informan que este problema podría resolverse utilizando los llamados materiales de van der Waals. El principio de su enfoque es bastante simple de entender.
"Básicamente le quitamos las sillas a los estudiantes de pie para que no tengan 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 lograr este objetivo, trabajando en el laboratorio de láser ultrarrápido de KU, diseñaron un material de tres capas colocando capas individuales de MoSe2, WS2 y grafeno una encima de la otra.
"Podemos pensar en las capas MoSe2 y grafeno como dos aulas llenas de estudiantes sentados, mientras que la capa intermedia WS2 actúa como un pasillo que separa las dos habitaciones", dijo Zhao. "Cuando la luz incide en la muestra, algunos de los electronesen 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 abandonar sus asientos en MoSe2. Una vez en el grafeno,no tienen más remedio que permanecer móviles 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 usaron un pulso láser ultracorto 0.1 picosegundos para liberar algunos de los electrones en MoSe2. Al usar otro pulso láser ultracorto, pudieron monitorear estos electrones a medida que avanzaban hacia el grafeno.Descubrieron que estos electrones se mueven a través del "pasillo" en aproximadamente 0.5 picosegundos en promedio. Luego permanecen móviles durante aproximadamente 400 picosegundos, una mejora de 400 veces que una sola capa de grafeno, que también midieron en el mismo estudio.
Los investigadores también confirman que los "asientos" que quedan en MoSe2 también permanecen desocupados por la misma cantidad de tiempo. En el mundo clásico, estos asientos deben permanecer vacíos para siempre. Sin embargo, en la mecánica cuántica, los electrones "hacen un túnel" de regreso a estos asientos.Los investigadores proponen que este proceso determina la vida útil de los electrones móviles. Por lo tanto, al elegir diferentes capas de "pasillo", este tiempo puede controlarse para diversas aplicaciones.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation. Lane cuenta con el apoyo de Self Graduate Fellowship.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Kansas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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