石墨烯是一种由一层厚的碳原子组成的材料,呈蜂窝状排列。它被用于使材料更坚固,制造用于通信的超高频组件,提高电池性能,甚至用于冠状病毒检测。它是典型的二维(2D)材料——但二维材料比石墨烯要多得多。


自从2004年石墨烯首次被分离出来以来,研究已经扩展到创造其他非碳二维材料。现在已经有数十家这样的公司,它们被誉为在石墨烯不太适合的领域产生了影响,比如新型晶体管和下一代光电子设备,这些设备可以产生、检测和控制光线。

折叠二维材料为它们提供了用于量子通信的新特性

我们最近的研究集中于2D和3D的2D材料二硫化钨(WS2)的新形式。WS 2是一种半导体,与硅相同,几乎在所有电子设备中都可以找到硅。但是,与硅不同,WS2可以稳定的2D形式存在。我们以一种新的方式排列了WS2材质,以创建2D图纸的3D排列,我们将其称为纳米网格。


WS2纳米网能使激光的频率增加一倍,波长减半,同时还能改变颜色,效率极高。这意味着它可以用于使用光的量子通信组件,在这种组件中,总是可以检测到试图“听取”信息的行为。光在量子通信中非常重要,因为光的粒子,即光子,可以用来携带信息。当两个光子经历量子纠缠时,无论其中一个发生了什么,另一个都可以立即观察到,不管它们相距多远。


量子通信具有在全球范围内提供真正安全通信的潜力。利用纠缠的奇异特性,可以对系统进行工程设计,以便在信号被截获时发件人立即知道。


迄今为止,创建量子通信的许多尝试都是使用激光。但是为了做到这一点,我们需要一种有效的控制光的方法。可以使用2D材质完成此操作。


二维约束


在2D材料中,电子可以在二维中运动,但它们在三维中的运动受到限制。这种限制使2D材料具有有趣的特性,这意味着它们作为IT、通信、传感、能源、成像和量子计算的超薄设备具有广阔的前景。对于许多此类应用,仅一个原子厚的2D材料平放在支撑表面上。


但是,不幸的是,这些材料的强度(它们非常薄)也是其最大的弱点。这意味着当它们被照亮时,可见光只能与它们相互作用很小的厚度,并且产生的效果微弱。为了克服这个问题,像我这样的研究人员开始寻找将2D材料包装到复杂3D结构中的新方法。


纳米网


我和我的博士生创建了一个由密集包装的,随机分布的堆栈组成的网络3D网络,其中包含旋转和融合的2D薄板,称为纳米网。其独特的特性是我们开发的特定合成工艺的结果。我们首先通过生长WS 2的一维纳米管(轧制板)(如脚手架)开始。这些材料自然地填充有一种材料,WS2薄板可以从该材料在纳米管尖端及其侧面生长,彼此旋转并像风扇一样展开。然后将这些图纸彼此融合以创建较大的2D图纸,这些2D图纸以3D方式相交以创建纳米网格。


半导体内部有能带,由能隙隔开。只有能量大于能隙的光才能以有用的方式与材料相互作用。如果在该能隙内引入新的能级,则穿过该材料的光的频率加倍会更加有效,并且会在更大的波长范围内发生。这正是我们的纳米网所实现的,它改变了材料的能级、能带,能隙和能隙内的能级。


我的光子学小组的同事进行的测量表明,纳米网材料确实可以在多种颜色范围内有效地将一种激光颜色转换为另一种激光颜色。与平坦的WS2层相比,纳米网具有很高的效率,并且对宽范围的光波长有响应,同时耐用并且可以在大面积上生长。


我们的研究证明,将2D材料组装成3D排列不仅会导致更厚的2D材料与光发生更强的相互作用,而且还会产生具有全新特性的材料。

折叠二维材料为它们提供了用于量子通信的新特性

我们制造的纳米网在技术上易于大规模生产,并提供与可调谐光的相互作用。该材料可以进一步发展,例如通过包括小的金属纳米颗粒或通过沉积第二种材料。这样的混合器将提供改变通过它们的激光的其他方式。


我们的下一个目标是将纳米网片集成到传输和修改光的设备中,并将其与传统的微电子技术集成在一起。这是开发实用的量子光通信的途径。


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