伍斯特理工學(xué)院科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種光敏半導(dǎo)體納米復(fù)合材料
2016-10-26 來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)
伍斯特理工學(xué)院(WPI)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種革命性的光敏半導(dǎo)體納米復(fù)合材料,可用于各種應(yīng)用,包括外科手術(shù)機(jī)器人的微執(zhí)行器和夾具,光通信系統(tǒng)的光驅(qū)動(dòng)微鏡,以及更高效的太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器。
“這是一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域,”WPI機(jī)械工程副教授及關(guān)于這種新材料的文章的主要作者Balaji Panchapakesan說(shuō),該文章發(fā)表在科學(xué)報(bào)告上,這是自然出版社的開(kāi)放存取期刊。“極少數(shù)的材料能夠?qū)⒐庾又苯愚D(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在本文中,我們提出了第一個(gè)已知的半導(dǎo)體納米復(fù)合材料,能夠這樣做。它是一種令人著迷的材料,其特征還有它在機(jī)械應(yīng)力下的高強(qiáng)度和增強(qiáng)的光吸收!
當(dāng)帶負(fù)電荷的電子在軌道之間移動(dòng)時(shí),他們留下了帶正電荷的空隙稱(chēng)為空穴。一對(duì)束縛電子和一個(gè)電子空穴被稱(chēng)為激子。
在他們的實(shí)驗(yàn)中,Panchapakesan和他的團(tuán)隊(duì),其中包括研究生Vahid Rahneshin和Farhad Khosravi,以及路易斯威爾大學(xué)和華沙大學(xué)的同事,觀察到二硫化鉬的鉬和硫原子的原子軌道以獨(dú)特的方式排列,允許導(dǎo)帶內(nèi)的激子與所謂的硫原子的p軌道相互作用。這種“激子共振”有助于強(qiáng)的σ鍵,使硫化鉬中原子的二維陣列具有非凡的強(qiáng)度。這種共振的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)特效應(yīng),即在材料內(nèi)產(chǎn)生熱。它是材料產(chǎn)生色散(光致)機(jī)械響應(yīng)的熱量。
利用這種現(xiàn)象,Panchapakesan的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了由一層到三層二硫化鉬包裹在一層橡膠狀聚合物中的薄膜。他們將這些納米復(fù)合材料暴露于各種波長(zhǎng)的光中,并發(fā)現(xiàn)由于激子共振產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致聚合物膨脹和收縮,這取決于所使用的光的波長(zhǎng)。在以往的工作中,Panchapakesan的團(tuán)隊(duì)利用這種光機(jī)械響應(yīng)制造了微小的夾子用來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉響應(yīng)光脈沖。夾具可以捕捉單個(gè)人體細(xì)胞大小的塑料珠。
在進(jìn)一步的測(cè)試中,Panchapakesan和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了二硫化鉬復(fù)合物的另一種獨(dú)特的行為,為不同的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。采用所謂的應(yīng)變工程,他們拉伸材料,發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力會(huì)增加其吸收光的能力。
“這是傳統(tǒng)薄膜半導(dǎo)體無(wú)法做到的,”P(pán)anchapakesan說(shuō),“因?yàn)楫?dāng)拉伸他們,他們會(huì)過(guò)早地打破。但二硫化鉬憑借其獨(dú)特的材料強(qiáng)度,可以拉伸。并且其在應(yīng)變下增加的光吸收使其成為更有效的太陽(yáng)能電池,光電檢測(cè)器和熱傳感器和紅外攝像機(jī)的良好候選。”
“這是一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域,”WPI機(jī)械工程副教授及關(guān)于這種新材料的文章的主要作者Balaji Panchapakesan說(shuō),該文章發(fā)表在科學(xué)報(bào)告上,這是自然出版社的開(kāi)放存取期刊。“極少數(shù)的材料能夠?qū)⒐庾又苯愚D(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在本文中,我們提出了第一個(gè)已知的半導(dǎo)體納米復(fù)合材料,能夠這樣做。它是一種令人著迷的材料,其特征還有它在機(jī)械應(yīng)力下的高強(qiáng)度和增強(qiáng)的光吸收!
“用這種材料制成的小型抓手和致動(dòng)器可以用在火星車(chē)上以捕獲細(xì)小的灰塵顆粒!盤(pán)anchapakesan說(shuō)!八麄兛梢酝ㄟ^(guò)小型機(jī)器人的血液循環(huán)來(lái)捕獲癌細(xì)胞或采集細(xì)小的組織樣本。該材料可以用于制造用于光通信系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)鏡的微致動(dòng)器;它們將完全依靠光操作而不需要其它電源!
當(dāng)帶負(fù)電荷的電子在軌道之間移動(dòng)時(shí),他們留下了帶正電荷的空隙稱(chēng)為空穴。一對(duì)束縛電子和一個(gè)電子空穴被稱(chēng)為激子。
在他們的實(shí)驗(yàn)中,Panchapakesan和他的團(tuán)隊(duì),其中包括研究生Vahid Rahneshin和Farhad Khosravi,以及路易斯威爾大學(xué)和華沙大學(xué)的同事,觀察到二硫化鉬的鉬和硫原子的原子軌道以獨(dú)特的方式排列,允許導(dǎo)帶內(nèi)的激子與所謂的硫原子的p軌道相互作用。這種“激子共振”有助于強(qiáng)的σ鍵,使硫化鉬中原子的二維陣列具有非凡的強(qiáng)度。這種共振的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)特效應(yīng),即在材料內(nèi)產(chǎn)生熱。它是材料產(chǎn)生色散(光致)機(jī)械響應(yīng)的熱量。
利用這種現(xiàn)象,Panchapakesan的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了由一層到三層二硫化鉬包裹在一層橡膠狀聚合物中的薄膜。他們將這些納米復(fù)合材料暴露于各種波長(zhǎng)的光中,并發(fā)現(xiàn)由于激子共振產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致聚合物膨脹和收縮,這取決于所使用的光的波長(zhǎng)。在以往的工作中,Panchapakesan的團(tuán)隊(duì)利用這種光機(jī)械響應(yīng)制造了微小的夾子用來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉響應(yīng)光脈沖。夾具可以捕捉單個(gè)人體細(xì)胞大小的塑料珠。
在進(jìn)一步的測(cè)試中,Panchapakesan和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了二硫化鉬復(fù)合物的另一種獨(dú)特的行為,為不同的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。采用所謂的應(yīng)變工程,他們拉伸材料,發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力會(huì)增加其吸收光的能力。
“這是傳統(tǒng)薄膜半導(dǎo)體無(wú)法做到的,”P(pán)anchapakesan說(shuō),“因?yàn)楫?dāng)拉伸他們,他們會(huì)過(guò)早地打破。但二硫化鉬憑借其獨(dú)特的材料強(qiáng)度,可以拉伸。并且其在應(yīng)變下增加的光吸收使其成為更有效的太陽(yáng)能電池,光電檢測(cè)器和熱傳感器和紅外攝像機(jī)的良好候選。”
“激子共振,光機(jī)械響應(yīng)和應(yīng)變下增加的光吸收帶來(lái)這一個(gè)非凡的材料和有趣的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究!彼a(bǔ)充說(shuō)。(工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 張慧)
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