Udforskning af fosforen, et lovende nyt materiale

Todimensionel fosfan, et materiale kendt som phosphoren, har potentiel anvendelse som materiale til halvledende transistorer i stadig hurtigere og kraftigere computere. Men der er et problem. Mange af de nyttige egenskaber ved dette materiale, ligesom dens evne til at lede elektroner, er anisotrope, hvilket betyder, at de varierer afhængigt af krystallens orientering. Nu, et hold inklusive forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) har udviklet en ny metode til hurtigt og præcist at bestemme denne orientering ved hjælp af interaktioner mellem lys og elektroner i phosphoren og andre atomtykke krystaller af sort fosfor.

Fosforen - et enkelt lag af fosforatomer - blev isoleret for første gang i 2014, giver fysikere mulighed for at begynde at udforske dens egenskaber eksperimentelt og teoretisk. Vincent Meunier, leder af Rensselaer Institut for Fysik, Anvendt fysik, og astronomi og en leder af teamet, der udviklede den nye metode, udgav sit første papir om materialet - der bekræfter fosforens struktur - samme år.

"Dette er et virkelig interessant materiale, fordi afhængigt af hvilken retning du gør tingene, du har helt andre egenskaber, sagde Meunier, medlem af Rensselaer Center for Materialer, Enheder, og integrerede systemer (cMDIS). "Men fordi det er så nyt materiale, det er vigtigt, at vi begynder at forstå og forudsige dets iboende egenskaber."

Meunier og forskere ved Rensselaer bidrog til den teoretiske modellering og forudsigelse af phosphorens egenskaber, tegner på Rensselaers supercomputer, Center for Computational Innovations (CCI), at udføre beregninger. Gennem Rensselaer cMDIS, Meunier og hans team er i stand til at udvikle potentialet i nye materialer såsom fosfor til at tjene i fremtidige generationer af computere og andre enheder. Meuniers forskning er et eksempel på det arbejde, der udføres på Den Nye Polytekniske Læreanstalt, håndtere vanskelige og komplekse globale udfordringer, behovet for tværfagligt og ægte samarbejde, og brugen af ​​de nyeste værktøjer og teknologier, hvoraf mange er udviklet hos Rensselaer.

I deres forskning, som vises i ACS Nano bogstaver , holdet satte i første omgang ud for at forfine en eksisterende teknik til at bestemme orienteringen af ​​krystallen. Denne teknik, som udnytter Raman-spektroskopi, bruger en laser til at måle vibrationer af atomerne i krystallen, når energi bevæger sig gennem den, forårsaget af elektron-fonon-interaktioner. Ligesom andre interaktioner, elektron-fonon-interaktioner inden for atom-tykke krystaller af sort fosfor er anisotrope og, en gang målt, er blevet brugt til at forudsige krystallens orientering.

Ved at gennemgå deres første resultater fra Raman-spektroskopi, holdet bemærkede flere uoverensstemmelser. For at undersøge nærmere, de opnåede faktiske billeder af orienteringen af ​​deres prøvekrystaller ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi (TEM), og sammenlignede dem derefter med Raman-spektroskopiresultaterne. Som en topografisk teknik, TEM giver en endelig bestemmelse af krystallens orientering, men er ikke så let at opnå som Raman-resultaterne. Sammenligningen afslørede, at elektron-fonon-interaktioner alene ikke præcist forudsagde krystallens orientering. Og grunden til, at det førte til endnu en anisotropi af phosphoren - den af ​​interaktioner mellem fotoner af lys og elektroner i krystallen.

"I Raman bruger du en laser til at overføre energi til materialet, og det begynder at vibrere på måder, der er iboende for materialet, og hvilke, i fosfor, er anisotrope, " sagde Meunier. "Men det viser sig, at hvis du skinner lyset i forskellige retninger, du får forskellige resultater, fordi vekselvirkningen mellem lyset og elektronerne i materialet - elektron-foton vekselvirkningen - også er anisotropisk, men på en ikke-målsmæssig måde."

Meunier sagde, at holdet havde grund til at tro, at phosphoren var anisotropisk med hensyn til elektron-foton-interaktioner, men havde ikke forudset vigtigheden af ​​ejendommen.

"Normalt gør elektron-foton anisotropi ikke så stor en forskel, men her, fordi vi har sådan en særlig kemi på overfladen og så stærk en anisotropi, det er et af de materialer, hvor det gør en kæmpe forskel, " sagde Meunier.

Selvom opdagelsen afslørede en fejl i fortolkningerne af Raman-spektre, der er afhængige af elektron-fonon-interaktioner, det afslørede også, at elektron-foton-interaktioner alene giver en nøjagtig bestemmelse af krystallens orientering.

"Det viser sig, at det ikke er så nemt at bruge Raman-vibrationer til at finde ud af krystallens retning, " sagde Meunier. "Men, og dette er den smukke ting, det, vi fandt, er, at elektron-foton-vekselvirkningen (som kan måles ved at registrere mængden af ​​absorberet lys) - samspillet mellem elektronerne og laseren - er en god forudsigelse for retningen. Nu kan du virkelig forudsige, hvordan materialet vil opføre sig som en funktion af spænding med en ekstern stimulus."