Een nieuwe experimentele onthulling over zwarte fosfor-nanoribbons zou de toekomstige toepassing van dit veelbelovende materiaal op elektronische, opto-elektronische en thermo-elektrische apparaten. Een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft experimenteel sterke in-plane anisotropie in thermische geleidbaarheid bevestigd, tot een factor twee, langs de zigzag- en fauteuilrichtingen van monokristallijne zwarte fosfor nanoribbons.

"Stel je het rooster van zwarte fosfor voor als een tweedimensionaal netwerk van ballen verbonden met veren, waarin het netwerk in de ene richting van het vlak zachter is dan in de andere, " zegt Junqiao Wu, een natuurkundige die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Department of Materials Science and Engineering van de University of California (UC) Berkeley. "Onze studie toont aan dat de warmtestroom in de zwarte fosfor-nanoribbons op een vergelijkbare manier heel verschillend kan zijn langs verschillende richtingen in het vlak. Deze anisotropie van thermische geleidbaarheid is onlangs voorspeld voor 2D zwarte fosforkristallen door theoretici, maar nooit eerder waargenomen."

Wu is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek wordt beschreven in: Natuurcommunicatie getiteld "Anisotrope thermische geleidbaarheid in het vlak van zwarte fosfor nanolinten bij temperaturen hoger dan 100K." De hoofdauteurs zijn Sangwook Lee en Fan Yang. (Zie hieronder voor een volledige lijst van auteurs)

zwarte fosfor, genoemd naar zijn kenmerkende kleur, is een natuurlijke halfgeleider met een energiebandgap waardoor de elektrische geleiding "aan en uit" kan worden geschakeld. Er is een theorie dat in tegenstelling tot grafeen, zwarte fosfor heeft tegenovergestelde anisotropie in thermische en elektrische geleidbaarheid - d.w.z. warmte stroomt gemakkelijker langs een richting waarin elektriciteit moeilijker stroomt. Een dergelijke anisotropie zou een stimulans zijn voor het ontwerpen van energiezuinige transistors en thermo-elektrische apparaten, maar experimentele bevestiging bleek een uitdaging vanwege de monstervoorbereiding en meetvereisten.

"We hebben zwarte fosfor nanoribbons gefabriceerd in een top-down benadering met behulp van lithografie, gebruikte vervolgens zwevende micropad-apparaten om de nanolinten thermisch te isoleren van de omgeving, zodat een kleine temperatuurgradiënt en thermische geleiding langs een enkele nanoribbon nauwkeurig konden worden bepaald, Wu zegt. "We hebben ook een stap verder gezet om de interface tussen het nanoribbon en de contactelektroden te ontwerpen om te zorgen voor verwaarloosbare thermische en elektrische contactweerstanden. wat essentieel is voor dit soort experimenten."

De resultaten van de studie, die werd uitgevoerd in de Molecular Foundry, een DOE Office Science gebruikersfaciliteit gehost door Berkeley Lab, onthulde hoge directionele anisotropie in thermische geleidbaarheid bij temperaturen hoger dan 100 Kelvin. Deze anisotropie werd voornamelijk toegeschreven aan fonon-dispersie met enige bijdrage van fonon-phonon-verstrooiingssnelheid, die beide oriëntatie-afhankelijk zijn. Gedetailleerde analyse onthulde dat bij 300 Kelvin, de thermische geleidbaarheid nam af naarmate de dikte van het nanolint afnam van ongeveer 300 nanometer tot ongeveer 50 nanometer. De anisotropieverhouding bleef binnen dit diktebereik op een factor twee.

"De anisotropie die we ontdekten in de thermische geleidbaarheid van zwarte fosfor-nanoribbons geeft aan dat wanneer deze gelaagde materialen in verschillende vormen worden gemodelleerd voor micro-elektronische en opto-elektronische apparaten, de roosteroriëntatie van de patronen moet worden overwogen, Wu zegt. "Deze anisotropie kan vooral voordelig zijn als warmteopwekking en -afvoer een rol spelen bij de werking van het apparaat. Bijvoorbeeld, deze oriëntatie-afhankelijke thermische geleidbaarheid geeft ons mogelijkheden om micro-elektronische apparaten te ontwerpen met verschillende roosteroriëntaties voor het koelen en bedienen van microchips. We zouden efficiënt thermisch beheer kunnen gebruiken om de chiptemperatuur te verlagen en de chipprestaties te verbeteren."

Wu en zijn collega's zijn van plan hun experimentele platform te gebruiken om te onderzoeken hoe de thermische geleidbaarheid in zwarte fosfor-nanoribbons onder verschillende scenario's wordt beïnvloed, zoals hetero-interfaces, faseovergangen en domeingrenzen. Ook willen ze de effecten van verschillende fysieke aandoeningen zoals stress en druk onderzoeken.