Tweedimensionaal fosfaan, een materiaal dat bekend staat als fosforeen, heeft potentiële toepassing als materiaal voor halfgeleidende transistors in steeds snellere en krachtigere computers. Maar er is een hapering. Veel van de nuttige eigenschappen van dit materiaal, zoals het vermogen om elektronen te geleiden, zijn anisotroop, wat betekent dat ze variëren afhankelijk van de oriëntatie van het kristal. Nutsvoorzieningen, een team met onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) heeft een nieuwe methode ontwikkeld om die oriëntatie snel en nauwkeurig te bepalen met behulp van de interacties tussen licht en elektronen in fosforeen en andere atomen-dikke kristallen van zwarte fosfor.

Fosforeen - een enkele laag fosforatomen - werd voor het eerst geïsoleerd in 2014, waardoor natuurkundigen de eigenschappen ervan experimenteel en theoretisch kunnen gaan verkennen. Vincent Meunier, hoofd van de afdeling Natuurkunde Rensselaer, Toegepaste fysica, en Astronomy en een leider van het team dat de nieuwe methode ontwikkelde, publiceerde in datzelfde jaar zijn eerste paper over het materiaal, waarin hij de structuur van fosforeen bevestigde.

"Dit is echt een interessant materiaal omdat, afhankelijk van in welke richting je dingen doet, je hebt totaal andere eigenschappen, zei Meunier, lid van het Rensselaer Center for Materials, apparaten, en geïntegreerde systemen (cMDIS). "Maar omdat het zo'n nieuw materiaal is, het is essentieel dat we de intrinsieke eigenschappen ervan gaan begrijpen en voorspellen."

Meunier en onderzoekers van Rensselaer hebben bijgedragen aan de theoretische modellering en voorspelling van de eigenschappen van fosforeen, tekenen op de Rensselaer-supercomputer, het Centrum voor Computational Innovations (CCI), berekeningen uit te voeren. Via de Rensselaer cMDIS, Meunier en zijn team zijn in staat om het potentieel van nieuwe materialen zoals fosforeen te ontwikkelen voor toekomstige generaties computers en andere apparaten. Het onderzoek van Meunier is een voorbeeld van het werk dat wordt gedaan bij The New Polytechnic, het aanpakken van moeilijke en complexe mondiale uitdagingen, de behoefte aan interdisciplinaire en echte samenwerking, en het gebruik van de nieuwste tools en technologieën, waarvan vele bij Rensselaer worden ontwikkeld.

In hun onderzoek hebben die verschijnt in ACS Nano-letters , het team wilde aanvankelijk een bestaande techniek verfijnen om de oriëntatie van het kristal te bepalen. Deze techniek, die gebruik maakt van Raman-spectroscopie, gebruikt een laser om trillingen van de atomen in het kristal te meten terwijl energie er doorheen beweegt, veroorzaakt door elektron-fonon interacties. Net als andere interacties, elektron-fonon interacties binnen atomen-dikke kristallen van zwarte fosfor zijn anisotroop en, eenmaal gemeten, zijn gebruikt om de oriëntatie van het kristal te voorspellen.

Bij het beoordelen van hun eerste resultaten van Raman-spectroscopie, het team merkte verschillende inconsistenties op. Om verder te onderzoeken, ze verkregen werkelijke beelden van de oriëntatie van hun monsterkristallen met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), en vergeleek ze vervolgens met de Raman-spectroscopieresultaten. Als topografische techniek, TEM biedt een definitieve bepaling van de oriëntatie van het kristal, maar is niet zo gemakkelijk te verkrijgen als de Raman-resultaten. De vergelijking onthulde dat elektron-fonon-interacties alleen de oriëntatie van het kristal niet nauwkeurig voorspelden. En de reden waarom leidde de weg naar nog een andere anisotropie van fosforeen - die van interacties tussen fotonen van licht en elektronen in het kristal.

"In Raman gebruik je een laser om energie in het materiaal te brengen, en het begint te trillen op manieren die intrinsiek zijn aan het materiaal, en welke, in fosforeen, zijn anisotroop, " zei Meunier. "Maar het blijkt dat als je het licht in verschillende richtingen schijnt, je krijgt verschillende resultaten, omdat de interactie tussen het licht en de elektronen in het materiaal - de elektron-foton-interactie - ook anisotroop is, maar op een niet-evenredige manier."

Meunier zei dat het team reden had om aan te nemen dat fosforeen anisotroop was met betrekking tot elektron-foton-interacties, maar anticipeerde niet op het belang van het pand.

"Normaal gesproken maakt elektron-foton-anisotropie niet zo'n groot verschil, maar hier, omdat we zo'n bijzondere chemie aan het oppervlak hebben en zo'n sterke anisotropie, het is een van die materialen waar het een enorm verschil maakt, ' zei Meunier.

Hoewel de ontdekking een fout aan het licht bracht in de interpretaties van Raman-spectra die berusten op elektron-fonon-interacties, het onthulde ook dat alleen elektron-foton-interacties een nauwkeurige bepaling van de oriëntatie van het kristal opleveren.

"Het blijkt dat het niet zo eenvoudig is om Raman-trillingen te gebruiken om de richting van het kristal te achterhalen, "zei Meunier. "Maar, en dit is het mooie, wat we ontdekten is dat de elektron-foton-interactie (die kan worden gemeten door de hoeveelheid geabsorbeerd licht te registreren) - de interactie tussen de elektronen en de laser - een goede voorspeller is van de richting. Nu kun je echt voorspellen hoe het materiaal zich zal gedragen als een functie van opwinding met een prikkel van buitenaf."