莱斯大学新建模方法更易调控二维材料，充分发挥其光学性能

图片来源：Yakobson研究小组/莱斯大学

近日，莱斯大学的研究人员对二维材料进行了建模，以量化它们对光线的反应。他们计算了单个或原子厚堆叠层材料的传输、吸收和反射光线的方式。上述图表展示了在测试的55种材料吸光度最大的几种材料。

对于开发光电器件的科学家来说金属或半导体材料吸收、反射和作用于光的能力是非常重要的，因为电子设备是通过与光相互作用来运行的。莱斯大学的科学家们现在已经制造出一种方法来确定原子薄材料的特性，这些材料有望改进光的调制和操纵。

自从石墨烯（一种碳原子的扁平晶格）在2001年被发现，二维材料一直是一个热门的研究课题。从那时起，科学家们就开始在理论或实验室中开发出具有一系列光学、电子和物理特性的新型二维材料。

到目前为止，科学家们还缺乏将这些材料作为超薄反射器、发射器或吸收器时所能提供的光学特性的全面指导。

莱斯实验室的材料理论家Boris Yakobson接受了这个挑战。Yakobson和他的合著者、研究生和主要作者Sunny Gupta、博士后研究员SharmilaShirodka和研究科学家Alex Kutana使用了最先进的理论方法来计算55种2D材料的最大光学性能。

“现在我们了解计算方法的重要之处在于，我们可以用它来分析任何2D材料，” Gupta说。“这是一项巨大的计算工作，但现在有可能在更深入的量化层面上评估任何材料。”

他们的研究成果发表在本月的美国化学学会杂志ACS Nano上，详细描述了单分子的透光率、吸光度和反射系数，这些都被统称为TAR。在纳米尺度上，光可以以独特的方式与材料相互作用，促使电子光子相互作用或触发等离子体在一个频率上吸收光并在另一个频率发射光。

利用2D材料，研究人员设计出更小的设备，如传感器或光驱动电路。但首先，它更有助于了解一种物质对特定波长光的敏感性，从红外线到可见光，再到紫外线。

“一般来说，普遍的看法是，2D材料非常薄，它们看起来应该是透明的，可以忽略不计，而且几乎无反射和吸收，”Yakobson说。“令人惊讶的是，我们发现每一种材料都有一个强有力的光学特征，其中有很大一部分的特定颜色（波长）被吸收或反射。”

两位作者预计，光探测和调制设备以及偏振滤光镜都可能是作为二维材料的应用，这些材料具有定向的光学特性。“多层涂层可以提供良好的保护，使材料免受辐射或光线的影响，就像激光一样，”Shirodkar说。“在后一种情况下，可能需要异质结构（多层）薄膜——补充材料的涂层。更大强度的光会产生非线性效应，而这有待进一步的研究。”

研究人员对二维模型和单层模型进行了建模。“栈可以扩展频谱范围，或者带来新的功能，比如极化器，”Kutana说。“我们可以考虑使用堆叠的异质结构模式来存储信息，甚至是密码学。”

在他们的研究结果中，研究人员证实了成堆的石墨烯和硼酚对中红外光是高度反射。他们最引人注目的发现是，一种由超过100个单原子层的硼组成的材料——它的厚度只有大约40纳米——会反射超过99%的红外线到紫外线，表现优于掺杂的石墨烯和散装银。

还有一个附带的好处，也符合Yakobson的艺术敏感性。他说：“现在我们已经知道了所有这些材料的光学特性，也就是它们在光线照射下反射和传输的颜色。因此，我们可以考虑在纳米尺度上制造出Tiffany式的彩色玻璃窗。那简直太棒了！”