加州大學洛杉磯分校的加州納米系統研究所（CNSI）最近研發出一種新型的光發射材料，這種材料不僅靈活耐用，而且生產成本低廉。這項研發成果顯示，這種新材料在光子計算中，作為芯片集成光源的潛力巨大，因為它的特性使得它在耐用性和成本上都具有優勢。為了實現這一突破，研究小組將二硫化鉬（MoS₂）與 Nafion（通常用於燃料電池的彈性聚合物）相結合。二硫化鉬是一種僅幾個原子厚的「二維材料」，以其電子和光學特性著稱，但通常過於脆弱且光輸出不足以用於實際的光發射應用。
通過將這兩種材料層疊，CNSI 團隊創造出大型可印刷的膜，這些膜不僅能夠發出明亮而穩定的光，還能夠在拉伸時不會斷裂。這一點尤為重要，因為傳統上，MoS₂ 和其他二維半導體因脆弱性而發出的光量極少。通過將 MoS₂ 與 Nafion 結合，這種聚合物不僅強化了脆弱的材料，還有助於修復通常會損害光輸出的表面缺陷。結果是，這種混合材料的光發射亮度比單獨使用 MoS₂ 提升了數個量級。
在過去的十年中，二維材料如 MoS₂ 吸引了大量的研究興趣。自從石墨烯首次被分離以來，科學家們一直在探索類似的超薄晶體，因為它們擁有不尋常的特性。與石墨烯（這是一種較差的光發射材料）不同，MoS₂ 擁有直接的帶隙，這意味著它能更有效地與光互動。然而，單層的脆弱性和微弱的發光強度一直是其在現實設備中應用的主要障礙。Nafion 本身通常與能量應用相關，如燃料電池中的質子交換膜。它具有彈性、化學穩定性，並能與離子互動，這些特性使它非常適合支持脆弱的 MoS₂ 薄膜。
這種聚合物不僅充當保護包裝，還能主動修復半導體表面上通常會捕獲電子並抑制光的微小缺陷。通過將這些薄片嵌入 Nafion 中，UCLA 團隊成功地同時解決了光發射強度不足和材料脆弱性兩個問題。這種新材料在光子學中的應用潛力巨大，在這些設備中，光（光子）用於計算和信號傳輸，而不是電力（電子）。光信號能以更快的速度移動，並消耗更少的能量，這使得光子學在激光、光纖電纜、太陽能電池和智能手機攝像頭等應用中已經得到了廣泛應用。對於下一代計算機來說，基於光的電路將意味著更高的速度，因為光子在運動過程中不會像電子那樣相撞並產生熱量。
從理論上講，這也可能降低能源成本，對於像人工智慧這樣耗電的應用來說尤其重要。在短期內，這種材料可以為新型可拉伸顯示器、靈活激光器和芯片集成光源開闢新的可能性。從長遠來看，它還可能引領光子計算機的革命，這些計算機將比當今的電子計算機更快速且更具能源效率，從而在人工智慧、數據處理和通訊等領域實現突破。研究結果已發表在《美國化學學會期刊》中。
