Forskningbild: Interlayer excitons
När atomtunna lager av två olika material staplas och vrids, framträder ett nytt så kallat heterostrukturmaterial. Det nya materialet har ultrasnabba kopplingar genom särskilda energitillstånd – så kallade interlager-excitoner – som förenar de båda lagrens egenskaper.  ​​​​​​​
​Illustration: Brad Baxley​

Så skräddarsys material med ultrasnabba relationer

​​Med hjälp av magiska vinklar och unika energitillstånd går det att designa skräddarsydda atomtunna material som skulle kunna användas i framtidens elektronik.  Nu presenterar forskare vid Chalmers och Regensburgs universitet i Tyskland ett recept för att komponera och krydda material med ultrasnabba kopplingar.  Resultaten publicerades nyligen i den ansedda tidskriften Nature Materials. ​​​
Tänk dig du ska bygga en energieffektiv och supertunn solcell. Du har ett material som leder ström och ett annat material som tar upp ljus. Du måste därför använda båda materialen för att få de önskade egenskaperna. Resultatet blir kanske inte så slimmat som du hoppats.  

Tänk dig att du i stället har atomtunna lager av respektive material som du lägger ovanpå varandra. Du vrider det ena lagret mot det andra en viss grad och plötsligt uppstår ett nytt mönster. Det byggs ultrasnabbt upp särskilda energitillstånd – så kallade interlager-excitoner – som förenar de båda lagrens egenskaper. Du har komponerat ditt önskematerial och det är atomtunt. ​

Några som verkligen lyckats visa att detta fungerar är chalmersforskaren Ermin Malic i samarbete med tyska forskarkollegor kring Rupert Huber på Regensburgs universitet. De har lyckats sprida nytt ljus över ett område som fortfarande är relativt outforskat: hur atomtunna material kan staplas som legobitar för att skapa nya så kallade heterostrukturer med ultrasnabba ​relationer. 

– Dessa heterostrukturer har en oerhörd potential, eftersom vi kan skräddarsy material på beställning. Tekniken skulle i framtiden kunna användas i solceller, flexibel elektronik, fotodetektorer, och till och med i kvantdatorer, säger Ermin Malic, professor vid institutionen på fysik på Chalmers. 

Helt nyligen har Ermin Malic och doktoranderna Simon Ovesen och Samuel Brem samarbetat med Regensburgs universitet. Medan den svenska gruppen har stått för den teoretiska delen av projektet, har de tyska forskarna utfört experimenten. De har för första gången  och med hjälp av unika metoder  lyckats avslöja excitonernas ultrasnabba formation och dynamik. De har använt sig av två olika lasrar för att kunna följa händelseförloppet. Genom att vrida två olika supertunna material mot varandra har de visat att det är möjligt att styra hur snabbt förändringarna sker.  

– Det här är början på ett nytt forskningsområde som är lika fascinerande som intressant för både akademi och industri, säger Ermin Malic, som även leder Chalmers Grafencentrum, som samlar forskning, utbildning och innovation kring grafen, andra atomtunna material och heterostrukturer under ett gemensamt paraply. 

Denna typ av lovande material består egentligen bara av en atomtunn yta. Därför kallas de för tvådimensionella (2D) material. På grund av sina anmärkningsvärda egenskaper anses de ha stora möjligheter inom olika teknikområden. Materialet grafen är det mest kända exemplet. Det består av ett enda lager kolatomer och håller på att göra entré inom industrin. Grafen kan till exempel bidra till supersnabba och högkänsliga detektorer, böjbara elektronikprylar och multifunktionella material inom bil-, flyg- och förpackningsindustrin.  

Men grafen är bara ett av väldigt många 2D-material som kan komma till stor nytta i vårt samhälle. Just nu talas det mycket om heterostrukturer som består av grafen och andra 2D-material. På kort tid har forskningen om heterostrukturer tagit stora kliv framåt och tidskriften Nature har nyligen publicerat flera av dessa internationella framsteg. 

På Chalmers är det flera forskargrupper som ligger i framkant när det gäller grafen. Grafencentrum satsar nu på ny infrastruktur för att kunna vidga forskningsområdet till att även inkludera andra 2D-material och heterostrukturer. 

– Vi vill bygga ett kraftigt och dynamiskt nav för 2D-material här på Chalmers, så att vi kan bygga broar till industrin och se till att vår kunskap kommer till nytta i samhället, säger Ermin Malic. 

Text och foto: Mia Halleröd Palmgren, mia.hallerodpalmgren@chalmers.se

Läs den vetenskapliga artikeln Ultrafast transition between exciton phases in van der Waals heterostructures i Nature Materials.

 

För mer information: 

Ermin Malic​, biträdande professor på institutionen för fysik, ledare för Grafencentrum, Chalmers, 031 772 32 63, 070 840 49 53, ermin.malic@chalmers.se​


Helt nyligen har Ermin Malic (till höger) och doktoranderna Samuel Brem (till vänster) och Simon Ovesen (saknas på bilden) och samarbetat med Regensburgs universitet. Medan den svenska gruppen har stått för den teoretiska delen av projektet, har de tyska forskarna utfört experimenten.

Publicerad: on 17 apr 2019. Ändrad: on 17 apr 2019