Nature子刊：二维原子级薄材料未来可大规模应用在光学领域

新奇的、原子级薄材料可以在未来用作节能和多用途的光源。Bremen大学（不来梅大学）的物理学家们已经从这些二维层解开了这个有趣的秘密。Bremen科学家及其合作伙伴的研究结果最近发表在“Nature Physics”《自然物理》（“单层过渡金属二卤代烃中的双激子精细结构”）上。

在几年前诺贝尔物理学奖超薄材料石墨烯成功故事的激励下，现今的化学和物理研究人员不断发现新的原子级薄材料。这些材料是由只比个别原子稍厚的原子晶格组成。最开始的石墨烯是由一层碳原子组成的。虽然它非常适合电子器件，但它不适用于光学应用。

现在新的原子级薄材料适合于高度小型化和极度节能的光学元件。值得注意的是，这种新材料的制造非常容易且成本低廉：例如，它们可以用胶粘膜从所谓的体积晶体中被除去。

原子级薄材料的广泛应用

它的主要思想是“乐高构造套件”的原理：发光和电导的原子薄材料，如过渡金属二卤代苯（TMDs），通过直接堆叠在石墨烯上与石墨烯进行结合。尽管凝聚力松散，这些结构表现出了巨大的机械稳定性。

它们所含的TMDs不仅能很好地发光，而且能吸收光并将其转化为电能。这就是为什么第一个实际应用已经可在非常敏感的传感器中使用。它们还可以用于柔性太阳能电池板或智能手机显示器。

通过在高度小型化的激光器中使用它们，可以实现下一代高速互联网所需的新组件。

“通过这些材料，我们可以为工程和技术创新提供一整套的组件。鉴于对可再生和有效能源日益增长的需求，这些原子级薄片的性能得到高度关注。”与Matthias Florian博士和Alexander Steinhoff博士一起在Bremen大学进行研究的理论物理教授Frank Jahnke解释说。

二维原子物理学

对于物理学家来说，原子级薄层也意味着彻底的反思。与传统的原子物理学（一般指三维空间）不同，这里的一切只发生在两个空间方向上。

为了使这些层发光，原子中的电子必须被激发。然后正负电荷产生新的复合粒子或人造原子，这些粒子或人造原子只能在薄网络的平面内移动。物理学家现在必须要确切的阐述出给他们带来无数谜题的二维原子物理学。

特别的，他们想要了解粒子的特征谱线，他们可以用光谱学方法来测量——类似于大气中气体分子的研究。“尽管这些晶体中的粒子复合物比实际的原子和分子寿命短得多，但它们可以在现代超快实验中被观察到。”初级研究员Alexander Steinhoff博士解释说。

光谱指纹材料的研究

与来自柏林和德克萨斯州休斯敦实验物理学的同事密切合作的Bremen大学团队结合计算机模拟与国家最先进的光谱，获得了这些复合粒子的光谱指纹图谱。它们显示四个粒子复合物的内部结构产生了新的量子态。这些都远远超出了先前已知的原子和分子物理学定律，因为它们产生了丰富的光谱特征。

基础研究到应用

科学家们已经在《自然物理》中发表了他们的研究。他们的研究结果，有助于对新材料所谓的“线动物园”带来规则，因为他们为研究领域的同事提供了进一步识别线条的方法。

这些结果对于基础研究很有意义，因为它们远远超出了通常的固态和原子物理之间的类比。研究人员也密切关注这些应用：作为下一步他们计划生产这样的组件的功能原型。

原文来自：nanowerk，原文题目：Extremely thin, stable, and bright: 2D materials for the photonics of tomorrow，由材料科技在线团队编译。