Onderzoekers van de Universiteit van Arkansas hebben de optische kenmerken bestudeerd van een speciaal type materiaal gemaakt van een enkele laag fosforatomen ten behoeve van het detecteren van en interactie met infrarood licht, die niet alleen voor het menselijk oog onzichtbaar is, maar ook voor vele andere materialen die worden voorgesteld voor gebruik in opto-elektronische systemen.

Dergelijke systemen streven ernaar om naast elektronen ook licht te gebruiken om de verwerking te versnellen en om verwarming en andere energieverslinders in onze steeds groter wordende overvloed aan computerapparatuur te verminderen.

De groep onderzoekers van het departement Natuurkunde publiceerde hun bevindingen in een recent nummer van Wetenschappelijke rapporten , een tijdschrift van de uitgevers van Nature, helpen om het begrip van zwarte fosfor als een optisch bruikbaar materiaal te bevorderen. Physics doctoraatsstudent Desalegn Debu was de eerste auteur van dit theoretische en computationele werk getiteld Tuning Infrared Plasmon Resonance of Black Phosphorene Nanoribbon with a Dielectric Interface. Andere auteurs zijn onder meer Stephen Bauman en David French, Afgestudeerde studenten van de Universiteit van Arkansas; en Hugh Churchill en Joseph Herzog, assistent-professoren van het departement Natuurkunde.

Vergelijkbaar met een kiezelplons die golven veroorzaakt over het oppervlak van een vijver, licht dat op een plasmonisch materiaal schijnt, zorgt ervoor dat elektronen op het oppervlak heen en weer bewegen. Deze golf van elektronen, bekend als een plasmon, kan worden afgestemd als een muziekinstrument om het sterkst te oscilleren voor bepaalde frequenties (kleuren) van licht, waardoor ze bruikbaar zijn voor toepassingen die zich over een groot deel van het spectrum van zichtbare en onzichtbare signalen uitstrekken. Afstemming is de sleutel tot het gebruik van plasmonische materialen voor specifieke toepassingen, net zoals het stemmen van een muziekinstrument cruciaal is voor het creëren van de gewenste noot.

Tweedimensionale materialen zoals grafeen, een vel koolstof met een dikte van één atoom, hebben het afgelopen decennium veel hype meegemaakt in de wetenschappelijke wereld. Ze bieden het potentieel om de grootte van verschillende opto-elektronische componenten terug te brengen tot enkele atomen dik en profiteren van unieke fysieke eigenschappen. Hoewel grafeen het 'posterkind' was van 2D-materialen en het misschien nog een belofte inhoudt voor verbeterde elektronica, materiële sterkte, of op licht gebaseerde technologie, het is niet volmaakt. Grafeen mist wat een bandgap wordt genoemd, een bepalende eigenschap van halfgeleiders. Deze beperking van grafeen wordt omzeild door te kijken naar andere materialen die superieure structurele, elektrisch, thermisch, of optische eigenschappen. zwarte fosfor, die een gegolfde structuur van fosforatomen heeft met twee verschillende kristallijne richtingen, biedt unieke voordelen ten opzichte van andere eerder bestudeerde opties.

De studie van Debu en zijn collega's onderzoekt de theoretische effecten van veranderende materiaaleigenschappen in het gebied rond een zwarte fosforplaat. De resultaten tonen aan dat de golflengte van het licht dat door het materiaal wordt geabsorbeerd, kan worden afgestemd door het omringende materiaal te veranderen. De studie verbeterde ook het begrip van de plasmonische aard van dit materiaal wanneer het wordt gevormd tot linten op nanoschaal met verschillende breedtes. Door de afstemmingsparameters van nanoribbonbreedte en omringende media te combineren, zwarte fosfor kan een zeer nuttig materiaal worden voor toepassingen met infrarood licht. Een bijkomend voordeel van zwarte fosfor is dat de twee verschillende kristallijne richtingen ervoor zorgen dat licht op verschillende manieren kan interageren met de elektronen op het oppervlak, afhankelijk van de oriëntatie van de lichtgolven die in de toepassing worden gebruikt.