Исследователи из Университета Канзаса соединили графен с двумя другими атомарными слоями (диселенидом молибдена и дисульфидом вольфрама), продлив таким образом срок жизни возбужденных электронов в несколько сот раз. Структура может ускорить разработку сверхтонких и гибких фотоэлектрических панелей высокой эффективности.

С 2010 года графен стал одним из самых популярных материалов в научном сообществе. Только в 2017-м о нем было написано более 30 000 статей, сообщает sciencedaily.com. Теперь профессор Хуэй Чжао и аспирант Сэмюэл Лейн из Университета Канзаса внесли свой вклад в этот объем. Специалисты в несколько сот раз продлили срок существования возбужденных электронов в графене, соединив его с тонкими слоями диселенида молибдена (MoSe₂) и дисульфида вольфрама (WS₂).

Выводы проекта представлены в Nano Futures.

Графен прекрасно подходит для электронных и оптоэлектронных систем за счет эффективной транспортировки заряда. Электроны в нем движутся со скоростью около 10 млн м/с (1/30 скорости света) – намного быстрее, чем в других материалах. Но использовать графен в солнечных коллекторах мешает недолговечность возбужденных частиц. Электроны сохраняют подвижность примерно 1 пикосекунду.

«Этого мало для накопления большого количества мобильных частиц, — сказал Чжао. – Хотя электроны в графене могут начать двигаться под действием света, возбужденное состояние длится недостаточно долго для выработки электричества».

В своей работе специалисты показали, что проблему можно решить так называемыми материалами Ван-дер-Ваальса.

«Возбужденные электроны похожи на студентов, вставших и начавших ходить по классу после банки энергетика, — объяснил Чжао. – Чтобы они не сели обратно, мы просто убираем стулья. Такой подход заставляет электроны сохранять мобильность в несколько сотен раз дольше».

Исследователи сравнили MoSe₂ и графен в своей трехслойной структуре с классами, полными сидящих учеников. WS₂ выступает в роли холла между ними. Попадая на MoSe₂, свет высвобождает некоторые электроны, которых дизайн структуры заставляет покинуть свои места и перейти по «коридору» в графен. Здесь «студентам» уже негде сесть, так что они остаются мобильными, вырабатывая ток.

Авторы показали действенность принципа, воздействовав на разработку сверхкороткими лазерными импульсами (0,1 пс). Высвобожденные электроны в среднем проходили WS₂ за 0,5 пс, сохраняя мобильность в графене на 400 пс. Покинутые ими места в MoSe₂ оставались пустыми столько же. Исследователи уверены, что длительностью их простоя можно управлять, меняя материалы «холла».