2010年，諾貝爾物理學獎授予了石墨烯的發(fā)現者。單層碳原子，石墨烯具有適用于許多應用的理想特性。在研究人員中，石墨烯已成為十年來最熱門的材料。僅在2017年，全球就發(fā)表了超過30,000份關于石墨烯的研究論文。

現在，來自堪薩斯大學的兩位研究人員，趙昭教授和研究生Samuel Lane，都是物理學和天文學系，他們將石墨烯層與另外兩個原子層(二硒化鉬和二硫化鎢)連接起來，從而延長了石墨烯中的電子激發(fā)了數百倍。該發(fā)現將發(fā)布在Nano Futures上，這是一本新推出的高度選擇性期刊。

KU的工作可以高效地加速超薄和柔性太陽能電池的開發(fā)。

對于電子和光電應用，石墨烯具有優(yōu)異的電荷傳輸性能。據研究人員稱，電子以石墨速度的1/30的速度在石墨烯中移動 - 比其他材料快得多。這可能表明石墨烯可用于太陽能電池，太陽能電池將能量從陽光轉換為電能。但石墨烯有一個主要的缺點，阻礙了這種應用 - 它的超短壽命激發(fā)電子(即電子保持移動的時間)只有大約一皮秒(百萬分之一秒，或10-12)第二)。

“這些興奮的電子就像是從座位上站起來的學生 - 例如能量飲料之后，激活學生就像陽光一樣激活電子，”趙說。“充滿活力的學生在教室里自由活動 - 就像人類的電流一樣。”

KU研究員表示，以石墨烯為工作材料實現太陽能電池高效率的最大挑戰(zhàn)之一就是釋放出的電子 - 或者是站著的學生 - 有強烈的失去能量和變得不動的傾向，就像學生坐著一樣退后，退下。

“電子的數量，或者來自我們這個例子的學生，可以為電流做出貢獻的數量取決于他們在被光線釋放后能夠保持移動的平均時間，”趙說。“在石墨烯中，電子僅在一皮秒內保持自由。這對于積累大量的移動電子而言太短了。這是石墨烯的固有特性，并且已經成為將這種材料應用于光伏或光敏的一個很大的限制因素。換句話說，雖然石墨烯中的電子可以通過光激發(fā)變得可以移動并且可以快速移動，但它們只能保持移動太短的時間來為電力做出貢獻。“

在他們的新論文中，趙和萊恩報告說，這個問題可以通過使用所謂的范德瓦爾斯材料來解決。他們的方法原則很容易理解。

“我們基本上把椅子從站著的學生身邊帶走，這樣他們無處可坐，”趙說。“這迫使電子保持移動的時間比以前長幾百倍。”

為了實現這一目標，他們在KU的超快激光實驗室工作，他們設計了一層三層材料，將單層MoSe2，WS2和石墨烯疊放在一起。

“我們可以將MoSe2和石墨烯層視為兩個滿是學生坐在一起的教室，而中間的WS2層則作為分隔兩個房間的走廊，”趙說。“當光線照射到樣品上時，MoSe2中的一些電子被釋放出來。它們被允許穿過WS2層走廊進入另一個房間，這是石墨烯。然而，走廊經過精心設計，以便電子必須將他們的座位留在MoSe2。一旦進入石墨烯，他們別無選擇，只能保持移動，從而有助于電流，因為他們的座位已不再可用。“

為了證明這個想法是有效的，KU研究人員使用超短激光脈沖(0.1皮秒)來釋放MoSe2中的一些電子。通過使用另一個超短激光脈沖，他們能夠在這些電子移動到石墨烯時監(jiān)測這些電子。他們發(fā)現這些電子平均在約0.5皮秒的“走廊”中移動。然后它們保持移動約400皮秒 - 比單層石墨烯提高了400倍，這也是他們在同一研究中測量的。

研究人員還確認，MoSe2中留下的“座位”在相同的時間內也無人居住。在古典世界中，這些座位應永遠保持空虛。然而，在量子力學中，電子“隧道”回到這些座位。研究人員提出這個過程決定了移動電子的壽命。因此，通過選擇不同的“走廊”層，可以控制各種應用的時間。