Исследователи из Университета Райса, изучающие класс тонкоплёночных полупроводников, известных как дихалькогениды переходных металлов (ДПМ), обнаружили, что свет может вызывать физические сдвиги в их атомной решётке, создавая возможность настраивать поведение и свойства материалов.
Обнаруженный эффект может способствовать развитию технологий, использующих свет вместо электричества: от более быстрых и холодных компьютерных чипов до сверхчувствительных датчиков и гибких оптоэлектронных устройств.
«В нелинейной оптике свет можно преобразовывать, чтобы создавать новые цвета, более быстрые импульсы или оптические переключатели, которые включают и выключают сигналы, — говорит Куньян Чжан, выпускница докторантуры Райса и первый автор исследования — Двумерные материалы толщиной всего в несколько атомов позволяют создавать эти оптические инструменты в очень маленьком масштабе».
ДПМ— это слоистые кристаллы, состоящие из переходного металла, например молибдена, и двух слоёв халькогенов, таких как сера или селен. Благодаря сочетанию электропроводности, светопоглощения и механической гибкости они стали одним из самых универсальных классов материалов для электроники и оптоэлектроники нового поколения.
Эти материалы имеют две разные стороны: верхние и нижние атомы состоят из разных химических элементов, что создаёт внутренний дисбаланс, придающий кристаллу встроенную электрическую полярность и делающий его особенно чувствительным к свету и внешним воздействиям.
«Наша работа посвящена изучению того, как структура этих материалов влияет на их оптические свойства и как свет сам по себе может создавать силу в этих материалах», — сказал Чжан.
Используя лазерное излучение разных цветов, команда исследователей изучила, как двухслойный материал Janus TMD — селенид молибдена, нанесённый на дисульфид молибдена, — преобразует свет в процессе, называемом генерацией второй гармоники (ГВГ), при котором материал излучает свет с частотой, вдвое превышающей частоту входящего луча. Они обнаружили, что, когда входящий свет соответствует естественным резонансам материала, световая картина с удвоенной частотой искажается, что свидетельствует о смещении атомов внутри материала.
«Мы обнаружили, что при воздействии света на селенид молибдена и дисульфид молибдена внутри материала возникают крошечные направленные силы, которые проявляются в виде изменений в структуре поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии, — сказал Чжан. — Обычно сигнал поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии образует шестиконечную форму, напоминающую цветок, которая отражает симметрию кристалла. Но когда свет воздействует на атомы, эта симметрия нарушается — лепестки узора сжимаются неравномерно».
Команда исследователей связала это искажение с оптострикцией — процессом, при котором электромагнитное поле света само по себе оказывает механическое воздействие на атомы. В материалах «Янус» это воздействие усиливается за счёт сильной связи между атомными слоями, что позволяет даже незначительным силам вызывать измеримую деформацию.
Благодаря такой чувствительности эти материалы могут быть полезны далеко за пределами лаборатории. Компоненты, которые переключают или направляют свет по этому принципу, могут сделать оптические чипы более быстрыми и энергоэффективными, поскольку световые схемы выделяют меньше тепла, чем обычная электроника. Такую же чувствительность можно использовать для создания точных датчиков, способных улавливать малейшие вибрации или изменения давления, или настраиваемых источников света для современных дисплеев и инструментов визуализации.
«Такой активный контроль может помочь в разработке фотонных чипов нового поколения, сверхчувствительных детекторов или квантовых источников света — технологий, которые используют свет для передачи и обработки информации, а не полагаются на электричество», — сказал Шэнси Хуанг, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии в Университете Райса и автор исследования.