Borophen skinner alene som 2-D plasmonisk materiale

En atomtyk film af bor kunne være det første rene todimensionelle materiale, der er i stand til at udsende synligt og nær-infrarødt lys ved at aktivere dets plasmoner, ifølge Rice University-forskere.

Det ville gøre materialet kendt som borophen til en kandidat til plasmoniske og fotoniske enheder som biomolekylesensorer, bølgeledere, nanoskala lyshøstere og nanoantenner.

Plasmoner er kollektive excitationer af elektroner, der strømmer hen over overfladen af ​​metaller, når de udløses af et input af energi, som laserlys. Væsentligt, at levere lys til et plasmonisk materiale i én farve (bestemt af lysets frekvens) kan medføre udsendelse af lys i en anden farve.

Modeller af Rice teoretisk fysiker Boris Yakobson og hans kolleger forudsiger, at borophen ville være det første kendte 2-D materiale til at gøre det naturligt, uden ændringer.

Laboratoriets simuleringer er detaljeret beskrevet i et papir af Yakobson med hovedforfatterne Yuefei Huang, en kandidatstuderende, og Sharmila Shirodkar, en postdoc forsker, i Journal of the American Chemical Society .

Bor er en halvleder i tre dimensioner, men et metal i 2-D form. Det fik laboratoriet til at se på dets potentiale for plasmonisk manipulation.

"Dette var lidt forventet, men vi var nødt til at arbejde omhyggeligt for at bevise og kvantificere det, " sagde Yakobson, hvis laboratorium ofte forudsiger mulige materialer, som eksperimentel senere fremstiller, som borophen eller bor buckyball. Med kollegerne Evgeni Penev, en assisterende forskningsprofessor ved Rice, og alumnus Zhuhua Zhang, han offentliggjorde for nylig en omfattende gennemgang af borforskningens tilstand.

I den nye undersøgelse, forskerne brugte en beregningsmodelleringsteknik kaldet tæthedsfunktionel teori til at teste plasmonisk adfærd i tre typer fritstående borophen. Materialets basislinje krystalstruktur er et gitter af trekanter - tænk grafen, men med et ekstra atom i midten af ​​hver sekskant.

Laboratoriet studerede modeller af almindeligt borophen og to polymorfer, faste stoffer, der inkorporerer mere end én krystallinsk struktur, der dannes, når nogle af disse midterste atomer fjernes. Deres beregninger viste, at trekantet borophen havde de bredeste emissionsfrekvenser, inklusive synligt lys, mens de to andre nåede nær-infrarødt.

"Vi har ikke nok eksperimentelle data til at bestemme, hvilke mekanismer der bidrager hvor meget til tabene i disse polymorfer, men vi forudser og inkluderer spredning af plasmoner mod defekter og excitation af elektroner og huller, der fører til deres dæmpning, " sagde Shirodkar.

Forskerne sagde, at deres resultater præsenterer den interessante mulighed for at manipulere data ved subdiffraktionsbølgelængder.

"Hvis du har et optisk signal med en bølgelængde, der er større end et elektronisk kredsløb på nogle få nanometer, der er et misforhold, " sagde hun. "Nu kan vi bruge signalet til at excitere plasmoner i materialet, der pakker den samme information (båret af lyset) ind i et meget mindre rum. Det giver os en måde at klemme signalet på, så det kan gå ind i det elektroniske kredsløb."

"Det viser sig, at det er vigtigt, fordi groft sagt, det kan forbedre opløsningen med 100 gange, i nogle tilfælde, " sagde Yakobson. "Opløsning er begrænset af bølgelængde. Ved at bruge plasmoner, du kan gemme information eller skrive ind i et materiale med en meget højere opløsning på grund af krympningen af ​​bølgelængden. Dette kan have store fordele for datalagring."

Eksperimentalister har kun fremstillet borophen i meget små mængder hidtil og mangler metoder til at overføre materialet fra de overflader, det er vokset på, sagde Yakobson. Stadig, der er masser for teoretiske videnskabsmænd at studere og masser af fremskridt i laboratorierne.

"Man bør udforske andre polymorfer og lede efter den bedste, " foreslog Yakobson. "Her, det gjorde vi ikke. Vi har lige overvejet tre, fordi det er ret tungt arbejde - men andre skal screenes, før vi ved, hvad der er muligt."