Er sort fosfor den næste store ting i materialer?

En ny eksperimentel åbenbaring om sorte fosfor nanobånd skulle lette den fremtidige anvendelse af dette meget lovende materiale til elektroniske, optoelektroniske og termoelektriske enheder. Et team af forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har eksperimentelt bekræftet stærk in-plan anisotropi i termisk ledningsevne, op til en faktor to, langs zigzag- og lænestolsretningerne af sorte enkeltkrystalfosfor nanobånd.

"Forestil dig gitteret af sort fosfor som et todimensionelt netværk af kugler forbundet med fjedre, hvor netværket er blødere langs en retning af flyet end en anden, " siger Junqiao Wu, en fysiker, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og University of California (UC) Berkeleys Department of Materials Science and Engineering. "Vores undersøgelse viser, at varmestrømmen i de sorte fosfor-nanobånd på en lignende måde kan være meget forskellige langs forskellige retninger i planet. Denne termiske ledningsevneanisotropi er for nylig blevet forudsagt for 2D sorte fosforkrystaller af teoretikere, men aldrig før observeret."

Wu er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i Naturkommunikation med titlen "Anisotropisk termisk ledningsevne i planet af sorte fosfor nanobånd ved temperaturer højere end 100K." Hovedforfatterne er Sangwook Lee og Fan Yang. (Se nedenfor for en komplet liste over forfattere)

sort fosfor, opkaldt efter sin karakteristiske farve, er en naturlig halvleder med et energibåndgab, der gør det muligt at tænde og slukke for dens elektriske ledningsevne. Det er blevet teoretiseret, at i modsætning til grafen, sort fosfor har modsat anisotropi i termisk og elektrisk ledningsevne - dvs. varme flyder lettere i en retning, hvor elektricitet flyder sværere. En sådan anisotropi ville være et løft for at designe energieffektive transistorer og termoelektriske enheder, men eksperimentel bekræftelse viste sig at være udfordrende på grund af prøveforberedelse og målekrav.

"Vi fremstillede sorte fosfor-nanobånd i en top-down tilgang ved hjælp af litografi, brugte derefter ophængte mikropuder til at termisk isolere nanobåndene fra omgivelserne, så lille temperaturgradient og termisk ledning langs et enkelt nanobånd kunne bestemmes nøjagtigt, " siger Wu. "Vi gik også den ekstra mil for at konstruere grænsefladen mellem nanobåndet og kontaktelektroderne for at sikre ubetydelige termiske og elektriske kontaktmodstande, hvilket er afgørende for denne type eksperiment."

Resultaterne af undersøgelsen, som blev udført på Molecular Foundry, en DOE Office Science User Facility hostet af Berkeley Lab, afslørede høj retningsanisotropi i termisk ledningsevne ved temperaturer over 100 Kelvin. Denne anisotropi blev hovedsageligt tilskrevet fononspredning med et vist bidrag fra fonon-fonon spredningshastighed, som begge er orienteringsafhængige. Detaljeret analyse afslørede, at ved 300 Kelvin, termisk ledningsevne faldt, da tykkelsen af ​​nanobåndets tykkelse krympede fra ca. 300 nanometer til ca. 50 nanometer. Anisotropiforholdet forblev på en faktor på to inden for dette tykkelsesområde.

"Den anisotropi, vi opdagede i den termiske ledningsevne af sorte fosfor-nanobånd, indikerer, at når disse lagdelte materialer er mønstret i forskellige former for mikroelektroniske og optoelektroniske enheder, gitterorienteringen af ​​mønstrene bør overvejes, " siger Wu. "Denne anisotropi kan være særlig fordelagtig, hvis varmegenerering og -dissipation spiller en rolle i enhedens drift. For eksempel, disse orienteringsafhængige termiske ledningsevner giver os muligheder for at designe mikroelektroniske enheder med forskellige gitterorienteringer til afkøling og drift af mikrochips. Vi kunne bruge effektiv termisk styring til at reducere spåntemperaturen og forbedre spånydelsen."

Wu og hans kolleger planlægger at bruge deres eksperimentelle platform til at undersøge, hvordan termisk ledningsevne i sorte fosfor-nanobånd påvirkes under forskellige scenarier, såsom hetero-grænseflader, faseovergange og domænegrænser. De ønsker også at udforske virkningerne af forskellige fysiske tilstande såsom stress og pres.