En ny experimentell uppenbarelse om svarta fosfornanoband borde underlätta den framtida tillämpningen av detta mycket lovande material på elektroniska, optoelektroniska och termoelektriska enheter. Ett team av forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har experimentellt bekräftat stark in-plan anisotropi i värmeledningsförmåga, upp till en faktor två, längs sicksack- och fåtöljriktningarna för enkristalliga svarta fosfor-nanoribon.

"Föreställ dig gallret av svart fosfor som ett tvådimensionellt nätverk av kulor kopplade till fjädrar, där nätverket är mjukare längs en riktning av planet än en annan, "säger Junqiao Wu, en fysiker som har gemensamma möten med Berkeley Labs Materials Sciences Division och University of California (UC) Berkeleys Department of Materials Science and Engineering. "Vår studie visar att på ett liknande sätt värmeflödet i de svarta fosfornanobanden kan vara väldigt olika längs olika riktningar i planet. Denna värmeledningsanisotropi har nyligen förutspåtts för 2D svarta fosforkristaller av teoretiker men aldrig tidigare observerats."

Wu är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning i Naturkommunikation titeln "Anisotropisk termisk konduktivitet i planet för svarta fosfornanoband vid temperaturer högre än 100K." Huvudförfattarna är Sangwook Lee och Fan Yang. (Se nedan för en komplett lista över författare)

Svart fosfor, uppkallad efter sin distinkta färg, är en naturlig halvledare med ett energibandgap som gör att dess elektriska konduktans kan slås på och av. Det har teoretiserats att i motsats till grafen, svart fosfor har motsatt anisotropi i termisk och elektrisk ledningsförmåga - dvs. värme flödar lättare längs en riktning i vilken elektricitet flödar svårare. Sådan anisotropi skulle vara ett lyft för att designa energieffektiva transistorer och termoelektriska enheter, men experimentell bekräftelse visade sig vara utmanande på grund av provberedning och mätningskrav.

"Vi tillverkade svarta fosfor-nanoribon i en top-down-strategi med litografi, använde sedan upphängda mikrokuddar för att termiskt isolera nanobanden från omgivningen så att liten temperaturgradient och värmeledning längs ett enda nanoband kunde bestämmas exakt, " säger Wu. "Vi gick också den extra milen för att konstruera gränssnittet mellan nanobandet och kontaktelektroderna för att säkerställa försumbara termiska och elektriska kontaktresistanser, vilket är viktigt för denna typ av experiment. "

Resultaten av studien, som utfördes på Molecular Foundry, en DOE Office Science User Facility värd av Berkeley Lab, avslöjade hög riktad anisotropi i värmeledningsförmåga vid temperaturer högre än 100 Kelvin. Denna anisotropi tillskrevs huvudsakligen fononspridning med visst bidrag från fonon-fononspridningshastigheten, båda är orienteringsberoende. Detaljerad analys visade att vid 300 Kelvin, värmeledningsförmågan minskade när tjockleken på nanobandets tjocklek krympte från cirka 300 nanometer till cirka 50 nanometer. Anisotropiförhållandet förblev vid en faktor två inom detta tjockleksintervall.

"Anisotropin vi upptäckte i den termiska ledningsförmågan hos svarta fosfornanoband indikerar att när dessa skiktade material mönstras i olika former för mikroelektroniska och optoelektroniska enheter, mönstrens gitterorientering bör beaktas, "Wu säger." Denna anisotropi kan vara särskilt fördelaktig om värmegenerering och avledning spelar en roll i enhetens drift. Till exempel, dessa orienteringsberoende värmeledningsförmåga ger oss möjligheter att designa mikroelektroniska enheter med olika gitterorientering för kylning och drift av mikrochips. Vi skulle kunna använda effektiv termisk hantering för att sänka spånets temperatur och förbättra spånets prestanda."

Wu och hans kollegor planerar att använda sin experimentella plattform för att undersöka hur värmeledningsförmågan i svarta fosfor -nanoribon påverkas under olika scenarier, såsom hetero-gränssnitt, fasövergångar och domängränser. De vill också utforska effekterna av olika fysiska förhållanden som stress och tryck.