Enkele atomaire platen van zwarte fosfor trekken de aandacht vanwege hun potentieel in toekomstige elektronische toepassingen. A*STAR-onderzoekers hebben nu experimenten op nanoschaal voltooid om het geheim van de opmerkelijke directionele warmtetransporteigenschappen van dit materiaal te ontrafelen.

Zwarte fosfor heeft een gelaagde atomaire honingraatstructuur die het een aantal exotische fysieke en elektronische eigenschappen geeft. Het honingraatrooster is niet vlak, maar gerimpeld, en de fysieke eigenschappen ervan verschillen afhankelijk van of ze over of langs de rimpels worden gemeten. Warmte, bijvoorbeeld, wordt ongeveer twee keer zo snel getransporteerd in de rimpel- of 'zigzag'-richting in vergelijking met over de rimpels, of de richting 'fauteuil'. Jing Wu en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering gebruikten hun ultramoderne experimentele faciliteiten om de reden voor deze zeer ongebruikelijke status te ontdekken.

"De sterke anisotropie van warmtetransport in zwarte fosfor is theoretisch toegeschreven aan de dispersie of relaxatie van roostervibraties bekend als fononen, maar de exacte oorsprong was onduidelijk, ", zegt Wu. "Als we dit mechanisme begrijpen, kunnen we de warmtestroom in nano-elektronische apparaten beter beheersen, wat erg handig zou zijn bij het ontwerpen van chips voor een betere warmteafvoer."

Het team begon met het uitgangspunt dat de reissnelheid van fononen gelijk is aan de geluidssnelheid in een materiaal, die op zijn beurt een goed gedefinieerde relatie heeft met de stijfheid van het materiaal. Ze gebruikten hun expertise in zeer nauwkeurige materiaalmetingen om een ​​experiment op te zetten waarmee ze zowel warmtetransport als stijfheid in hetzelfde systeem konden meten. met behulp van zwarte fosfor nanolinten met een zigzag- of fauteuiloriëntatie.

"Het onderzoeken van het warmtetransport en de stijfheid van de nanoribbons was een hele uitdaging, ", zegt Wu. "We hebben twee oriëntaties van nanoribbons gefabriceerd met behulp van elektronenstraallithografie op een dunne film van zwarte fosfor. Vervolgens pakten we de nanolinten op met behulp van nano-manipulatoren onder een scanning elektronenmicroscoop, en brachten ze over naar ons in het laboratorium gebouwde micro-elektrothermische systeem waar ze werden getest met behulp van een atoomkrachtmicroscoop. Dit zijn technieken die we al meer dan acht jaar ontwikkelen en gebruiken."

Deze experimentele metingen bevestigden een fysiek verband tussen het thermische transport en een maat voor stijfheid, bekend als de Young's modulus, het verstrekken van de eerste directe informatie over de oorsprong van fonon transport anisotropie in zwarte fosfor.

"De verhouding van thermische geleidbaarheid tussen de zigzag- en fauteuil-nanoribbons is bijna identiek aan de verhouding van de overeenkomstige Young's moduluswaarden, " zegt Wu, "en komt overeen met de relatie getheoretiseerd door eerste principes berekeningen."