Rynker tager varmen

Enkelte atomplader af sort fosfor tiltrækker opmærksomhed for deres potentiale i fremtidige elektronikapplikationer. A*STAR-forskere har nu gennemført eksperimenter på nanoskala for at afsløre hemmeligheden bag dette materiales bemærkelsesværdige retningsbestemte varmetransportegenskaber.

Sort fosfor har en lagdelt honeycomb atomstruktur, der giver det nogle eksotiske fysiske og elektroniske egenskaber. Dens honeycomb gitter er ikke plant, men rynket, og dets fysiske egenskaber varierer afhængigt af, om de måles på tværs af eller langs rynkerne. Varme, for eksempel, transporteres cirka dobbelt så hurtigt i rynke- eller 'zigzag'-retningen sammenlignet med på tværs af rynkerne, eller 'lænestol'-retningen. Jing Wu og kolleger ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering brugte deres avancerede eksperimentelle faciliteter til at opdage årsagen til denne meget usædvanlige status.

"Den stærke anisotropi af varmetransport i sort fosfor er teoretisk blevet tilskrevet spredningen eller afslapningen af ​​gittervibrationer kendt som fononer, men den nøjagtige oprindelse var uklar, " siger Wu. "Forståelse af denne mekanisme kan hjælpe os med bedre at kontrollere varmestrømmen i nanoelektroniske enheder, hvilket ville være meget nyttigt i chipdesign for bedre varmeafledning."

Holdet startede med den forudsætning, at fononernes bevægelseshastighed svarer til lydens hastighed i et materiale, som igen har et veldefineret forhold til materialets stivhed. De brugte deres ekspertise i højpræcisionsmaterialemålinger til at opsætte et eksperiment, der gjorde det muligt for dem at måle både varmetransport og stivhed i det samme system, ved hjælp af sorte fosfor nanobånd med enten en zigzag eller lænestol orientering.

"Det var meget udfordrende at undersøge varmetransporten og stivheden af ​​nanobåndene, " siger Wu. "Vi fremstillede to orienteringer af nanobånd ved at bruge elektronstrålelitografi på en tynd film af sort fosfor. Vi samlede derefter nanobåndene op ved hjælp af nanomanipulatorer under et scanningselektronmikroskop, og overførte dem til vores laboratoriebyggede mikro-elektrotermiske system, hvor de blev testet ved hjælp af et atomkraftmikroskop. Det er teknikker, vi har udviklet og brugt i mere end otte år."

Disse eksperimentelle målinger bekræftede en fysisk sammenhæng mellem den termiske transport og et mål for stivhed, kendt som de unges modul, at give den første direkte information om oprindelsen af ​​fonontransportanisotropi i sort fosfor.

"Forholdet mellem termisk ledningsevne mellem zigzag og lænestols nanobånd er næsten identisk med forholdet mellem de tilsvarende Youngs modulværdier, " siger Wu, "og svarer til forholdet teoretiseret ved beregninger af de første principper."