Optiske egenskaber ved todimensionale materialer til potentielle fremskridt inden for infrarød teknologi

Forskere fra University of Arkansas har undersøgt de optiske egenskaber ved en særlig type materiale fremstillet af et enkelt lag fosforatomer til fordel for at detektere og interagere med infrarødt lys, som ikke kun er usynlig for det menneskelige øje, men for mange andre materialer, der foreslås til brug i optoelektroniske systemer.

Sådanne systemer bestræber sig på at udnytte lys sammen med elektroner til at fremskynde behandlingen og reducere opvarmning og andre energibesparelser i vores stadigt voksende overflod af beregningsudstyr.

Gruppen af ​​forskere i Institut for Fysik offentliggjorde deres fund i en nylig udgave af Videnskabelige rapporter , et tidsskrift fra udgiverne af Nature, hjælper med at fremme forståelsen af ​​sort fosfor som et optisk nyttigt materiale. Fysik doktorand Desalegn Debu var den første forfatter til dette teoretiske og beregningsmæssige arbejde med titlen Tuning Infrared Plasmon Resonance of Black Phosphorene Nanoribbon with a Dielectric Interface. Andre forfattere omfatter Stephen Bauman og David French, University of Arkansas kandidatstuderende; og Hugh Churchill og Joseph Herzog, adjunkt i Institut for Fysik.

Ligesom et småstenstænk, der får bølger til at bevæge sig over en dam, lys, der skinner på et plasmonisk materiale, får elektroner til at bevæge sig frem og tilbage på overfladen. Denne bølge af elektroner, kendt som en plasmon, kan indstilles som et musikinstrument til at svinge stærkest for bestemte frekvenser (farver) af lys, gør dem nyttige til applikationer, der spænder over en stor del af spektret af synlige og usynlige signaler. Tuning er nøglen til brugen af ​​plasmoniske materialer til specifikke applikationer, ligesom tuning af et musikinstrument er afgørende for at skabe den ønskede note.

To-dimensionelle materialer såsom grafen, et lag kulstof med en enkelt atomtykkelse, har oplevet en masse hype i den videnskabelige verden inden for det sidste årti. De tilbyder potentialet til at reducere størrelsen på forskellige optoelektroniske komponenter ned til enkelte atomer tykke samt drage fordel af unikke fysiske egenskaber. Selvom grafen har været 'plakatbarn' for 2-D-materialer, og det endnu kan løfte løfte om forbedret elektronik, materialestyrke, eller lysbaseret teknologi, det er ikke perfekt. Graphene mangler det, der kaldes en bandgap, halvlederes definerende egenskab. Denne begrænsning af grafen omgås ved at se på andre materialer, der tilbyder overlegen strukturel, elektrisk, termisk, eller optiske egenskaber. Sort fosfor, som har en korrugeret struktur af fosforatomer med to forskellige krystallinske retninger, giver unikke fordele i forhold til andre tidligere undersøgte muligheder.

Undersøgelsen udført af Debu og hans kolleger undersøger de teoretiske virkninger af ændrede materialegenskaber i området omkring et sort fosforark. Resultaterne viser, at bølgelængden af ​​lys, der absorberes af materialet, kan indstilles ved at ændre det omgivende materiale. Undersøgelsen fremskred også forståelsen af ​​dette materiales plasmoniske natur, når det er mønstret i nanoskala -bånd med forskellige bredder. Kombinerer tuningsparametrene for nanoribbonbredde og omgivende medier, sort fosfor kan blive et meget nyttigt materiale til applikationer, der involverer infrarødt lys. En yderligere fordel ved sort fosfor er, at dets to forskellige krystallinske retninger tillader lys at interagere forskelligt med elektronerne på overfladen afhængigt af orienteringen af ​​de lysbølger, der bruges i applikationen.