Een atoomdikke film van boor zou het eerste zuivere tweedimensionale materiaal kunnen zijn dat zichtbaar en nabij-infrarood licht kan uitzenden door zijn plasmonen te activeren, volgens wetenschappers van Rice University.

Dat zou het materiaal dat bekend staat als borofeen een kandidaat maken voor plasmonische en fotonische apparaten zoals biomolecuulsensoren, golfgeleiders, lichtoogsters en nanoantennes op nanoschaal.

Plasmonen zijn collectieve excitaties van elektronen die over het oppervlak van metalen stromen wanneer ze worden geactiveerd door een invoer van energie, zoals laserlicht. aanzienlijk, het leveren van licht aan een plasmonisch materiaal in één kleur (bepaald door de frequentie van het licht) kan de emissie van licht in een andere kleur veroorzaken.

Modellen van Rice-theoretisch fysicus Boris Yakobson en zijn collega's voorspellen dat borofeen het eerste bekende 2-D-materiaal zou zijn dat dit op natuurlijke wijze doet, zonder wijziging.

De simulaties van het lab worden gedetailleerd beschreven in een paper van Yakobson met hoofdauteurs Yuefei Huang, een afgestudeerde student, en Sharmila Shirodkar, een postdoctoraal onderzoeker, in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Borium is een halfgeleider in drie dimensies, maar een metaal in 2D-vorm. Dat bracht het lab ertoe om te kijken naar het potentieel voor plasmonische manipulatie.

"Dit was een beetje te verwachten, maar we moesten zorgvuldig werk doen om het te bewijzen en te kwantificeren, " zei Yakobson, wiens lab vaak mogelijke materialen voorspelt die experimentatoren later maken, zoals borofeen of de borium buckyball. Met collega's Evgeni Penev, een assistent-onderzoeksprofessor bij Rice, en alumnus Zhuhua Zhang, hij publiceerde onlangs een uitgebreid overzicht van de stand van het boriumonderzoek.

In de nieuwe studie de onderzoekers gebruikten een computationele modelleringstechniek genaamd dichtheidsfunctionaaltheorie om plasmonisch gedrag te testen in drie soorten vrijstaand borofeen. De basiskristalstructuur van het materiaal is een raster van driehoeken - denk aan grafeen maar met een extra atoom in het midden van elke zeshoek.

Het lab bestudeerde modellen van gewoon borofeen en twee polymorfen, vaste stoffen die meer dan één kristallijne structuur bevatten die worden gevormd wanneer enkele van die middelste atomen worden verwijderd. Hun berekeningen toonden aan dat driehoekig borofeen de breedste emissiefrequenties had, inclusief zichtbaar licht, terwijl de andere twee bijna-infrarood bereikten.

"We hebben niet genoeg experimentele gegevens om te bepalen welke mechanismen bijdragen aan de verliezen in deze polymorfen, maar we anticiperen en omvatten verstrooiing van plasmonen tegen defecten en excitatie van elektronen en gaten die leiden tot hun demping, ' zei Shirodkar.

De onderzoekers zeiden dat hun resultaten de interessante mogelijkheid bieden om gegevens te manipuleren op subdiffractiegolflengten.

"Als je een optisch signaal hebt met een golflengte die groter is dan een elektronisch circuit van enkele nanometers, er is een mismatch, " zei ze. "Nu kunnen we het signaal gebruiken om plasmonen in het materiaal op te wekken die dezelfde informatie (gedragen door het licht) in een veel kleinere ruimte verpakken. Het geeft ons een manier om het signaal samen te persen zodat het in het elektronische circuit kan gaan."

"Het blijkt dat dat belangrijk is, want grofweg gesproken, het kan de resolutie 100 keer verbeteren, in sommige gevallen, " zei Yakobson. "Resolutie wordt beperkt door de golflengte. Door plasmonen te gebruiken, je kunt informatie opslaan of in een materiaal schrijven met een veel hogere resolutie vanwege de krimp van de golflengte. Dit kan grote voordelen hebben voor gegevensopslag."

Experimentalisten hebben tot nu toe slechts in zeer kleine hoeveelheden borofeen gemaakt en missen methoden om het materiaal over te brengen van de oppervlakken waarop het is gegroeid, zei Yakobson. Nog altijd, er is genoeg voor theoretische wetenschappers om te studeren en veel vooruitgang in de laboratoria.

"Men moet andere polymorfen onderzoeken en zoeken naar de beste, ' stelde Yakobson voor. 'Hier, wij niet. We hebben er net drie overwogen, omdat het behoorlijk zwaar werk is, maar anderen moeten worden gescreend voordat we weten wat haalbaar is."