伍斯特理工学院科学家开发了一种光敏半导体纳米复合材料

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伍斯特理工学院（WPI）的一个研究团队已经开发出一种革命性的光敏半导体纳米复合材料，可用于各种应用，包括外科手术机器人的微执行器和夹具，光通信系统的光驱动微镜，以及更高效的太阳能电池和光电探测器。
“这是一个新的科学领域，”WPI机械工程副教授及关于这种新材料的文章的主要作者Balaji Panchapakesan说，该文章发表在科学报告上，这是自然出版社的开放存取期刊。“极少数的材料能够将光子直接转换成机械运动。在本文中，我们提出了第一个已知的半导体纳米复合材料，能够这样做。它是一种令人着迷的材料，其特征还有它在机械应力下的高强度和增强的光吸收。”

“用这种材料制成的小型抓手和致动器可以用在火星车上以捕获细小的灰尘颗粒。”Panchapakesan说。“他们可以通过小型机器人的血液循环来捕获癌细胞或采集细小的组织样本。该材料可以用于制造用于光通信系统中旋转镜的微致动器;它们将完全依靠光操作而不需要其它电源。”

与其他半导体材料一样，科学报告论文（“二维层状过渡金属二（TMDS）基纳米复合材料的色力学响应”）中描述的材料二硫化钼，特征在于电子被排列并在其原子内移动。具体地，半导体中的电子能够仅在被能量源（例如电磁场或光束中的光子）充分激发时从被称为价带的一组外轨道移动到被称为导带的另一轨道。穿过“带隙”，电子产生电流，这是使计算机芯片和太阳能电池成为可能的原理。
当带负电荷的电子在轨道之间移动时，他们留下了带正电荷的空隙称为空穴。一对束缚电子和一个电子空穴被称为激子。
在他们的实验中，Panchapakesan和他的团队，其中包括研究生Vahid Rahneshin和Farhad Khosravi，以及路易斯威尔大学和华沙大学的同事，观察到二硫化钼的钼和硫原子的原子轨道以独特的方式排列，允许导带内的激子与所谓的硫原子的p轨道相互作用。这种“激子共振”有助于强的σ键，使硫化钼中原子的二维阵列具有非凡的强度。这种共振的强度对应一个独特效应，即在材料内产生热。它是材料产生色散（光致）机械响应的热量。
利用这种现象，Panchapakesan的团队创造了由一层到三层二硫化钼包裹在一层橡胶状聚合物中的薄膜。他们将这些纳米复合材料暴露于各种波长的光中，并发现由于激子共振产生的热量会导致聚合物膨胀和收缩，这取决于所使用的光的波长。在以往的工作中，Panchapakesan的团队利用这种光机械响应制造了微小的夹子用来打开和关闭响应光脉冲。夹具可以捕捉单个人体细胞大小的塑料珠。
在进一步的测试中，Panchapakesan和他的团队发现了二硫化钼复合物的另一种独特的行为，为不同的应用打开了大门。采用所谓的应变工程，他们拉伸材料，发现机械应力会增加其吸收光的能力。
“这是传统薄膜半导体无法做到的，”Panchapakesan说，“因为当拉伸他们，他们会过早地打破。但二硫化钼凭借其独特的材料强度，可以拉伸。并且其在应变下增加的光吸收使其成为更有效的太阳能电池，光电检测器和热传感器和红外摄像机的良好候选。”

“激子共振，光机械响应和应变下增加的光吸收带来这一个非凡的材料和有趣的问题有待进一步研究。”他补充说。

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作者：工业和信息化部电子科学技术情报研究所 张慧

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