Ученые создали эластичный светящийся материал для фотонных устройств

Твердотельный ПФСА иономер (Nafion) разделяет слои MoS₂ и пассивирует дефекты, обеспечивая создание ярких, масштабируемых, растягиваемых 2D мембран из монослоя. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c08388

Исследовательская группа под руководством Калифорнийского института наносистем (CNSI) в UCLA продемонстрировала новый тип светоизлучающего материала, который, как ожидается, подойдет для фотоники — устройств, основанных на свете, подобно тому как современная электроника основана на электрических сигналах.

Команда использовала полупроводник под названием дисульфид молибдена в форме так называемого «двумерного материала» толщиной всего в три атома, а также Nafion — полимер, применяемый в топливных элементах.

Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

В результате была получена пригодная для печати, крупноформатная, эластичная мембрана, излучающая яркий свет. Благодаря своей долговечности и низкой стоимости производства этот материал обладает большим потенциалом для использования в качестве чип-интегрированных источников света для фотонных вычислений.

Врожденные свойства света позволяют фотонным технологиям работать быстрее и использовать энергию эффективнее, чем традиционной электронике. Современные применения фотоники включают лазеры, волоконно-оптическую связь, солнечные элементы, а также камеры, сканеры и дисплеи смартфонов.

Разработка будущих фотонных компьютеров может значительно расширить возможности, наблюдаемые в современных электронных вычислительных машинах. В то время как существуют ограничения на интеграцию обычных полупроводников на чипе, дисульфид молибдена и другие 2D-материалы открывают путь к созданию ультратонких, гибких компонентов, которые можно встраивать непосредственно в фотонные схемы.

Однако адаптация 2D дисульфида молибдена для фотоники до сих пор была сложной задачей. Сами по себе ультратонкие слои чрезвычайно хрупки и излучают очень мало света. Новый материал, разработанный в UCLA, преодолевает эти ограничения, поскольку Nafion укрепляет хрупкий 2D-слой и «залечивает» дефекты на его поверхности, достигая на порядки более высокой светоизлучающей эффективности.

Исследовательская группа UCLA отличается необычной междисциплинарностью. В то время как большинство групп, работающих с Nafion, относятся к энергетическому сообществу (топливные элементы, батареи и катализ), а исследователи 2D-полупроводников обычно не занимаются химией иономеров, подгруппа по энергетике и 2D оптоэлектронике в UCLA постоянно обменивается идеями о обработке материалов.

Это пересечение породило идею объединить два «распространенных» материала из разных миров — Nafion и MoS2 — и неожиданный синергетический эффект сделал прорыв возможным.

Исследователи складывали чередующиеся слои 2D дисульфида молибдена и Nafion, который редко сочетают с 2D-материалами. Такая конструкция сохраняла идеальное поведение 2D-слоя даже в толстых, гибких мембранах. Обычно хрупкий материал затем использовался в крупноформатных мембранах, которые были заметно ярче и оставались стабильными на воздухе, в воде и при растяжении.

Материал, описанный в исследовании, может открыть новые возможности для фотонных технологий. Будущие компьютеры, кодирующие информацию и проводящие вычисления с помощью света, могут обеспечить новый уровень скорости обработки, одновременно снижая чрезвычайно высокие энергозатраты популярных приложений, таких как генеративный искусственный интеллект.

В краткосрочной перспективе исследователи планируют использовать новый материал в компактных, гибких, растягиваемых дисплеях, в качестве компонентов компьютерных чипов и в лазерах.

Автором-корреспондентом исследования является член CNSI Сянфэн Дуань, обладатель кафедры Рэймонда А. и Дороти А. Уилсон и выдающийся профессор химии и биохимии в колледже UCLA. Первым автором выступил аспирант UCLA Боксуань Чжоу.

Больше информации: Boxuan Zhou et al, Solid-State Ionomer-Interlayered Bulk Monolayer MoS₂ Membranes with Thickness-Scalable Bright Luminescence, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c08388

Источник: University of California, Los Angeles