Tvådimensionell fosfan, ett material som kallas fosforen, har potentiell tillämpning som material för halvledande transistorer i allt snabbare och kraftfullare datorer. Men det är ett problem. Många av de användbara egenskaperna hos detta material, som dess förmåga att leda elektroner, är anisotropa, vilket betyder att de varierar beroende på kristallens orientering. Nu, ett team med forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) har utvecklat en ny metod för att snabbt och exakt bestämma den orienteringen med hjälp av växelverkan mellan ljus och elektroner i fosforen och andra atomtjocka kristaller av svart fosfor.

Fosforen - ett enda lager av fosforatomer - isolerades för första gången 2014, låta fysiker börja utforska dess egenskaper experimentellt och teoretiskt. Vincent Meunier, chef för institutionen för fysik i Rensselaer, Tillämpad fysik, och astronomi och en ledare för teamet som utvecklade den nya metoden, publicerade sin första uppsats om materialet - som bekräftar fosforens struktur - samma år.

"Detta är ett riktigt intressant material eftersom, beroende på vilken riktning du gör saker, du har helt andra egenskaper, "sa Meunier, medlem i Rensselaer Center for Materials, Enheter, och integrerade system (cMDIS). "Men eftersom det är så nytt material, det är viktigt att vi börjar förstå och förutsäga dess inneboende egenskaper. "

Meunier och forskare vid Rensselaer bidrog till den teoretiska modelleringen och förutsägelsen av fosforens egenskaper, ritning på Rensselaers superdator, Center for Computational Innovations (CCI), att utföra beräkningar. Genom Rensselaer cMDIS, Meunier och hans team kan utveckla potentialen hos nya material som fosforen att tjäna i framtida generationer av datorer och andra enheter. Meuniers forskning exemplifierar arbetet på The New Polytechnic, hantera svåra och komplexa globala utmaningar, behovet av tvärvetenskapligt och sant samarbete, och användningen av de senaste verktygen och teknikerna, varav många är utvecklade på Rensselaer.

I sin forskning, som visas i ACS Nano bokstäver , laget började med att förfina en befintlig teknik för att bestämma kristallens orientering. Denna teknik, som utnyttjar Raman -spektroskopi, använder en laser för att mäta vibrationer i atomerna i kristallen när energi rör sig genom den, orsakad av elektron-fonon-interaktioner. Liksom andra interaktioner, elektron-fonon-interaktioner inom atomtjocka kristaller av svart fosfor är anisotropa och, en gång uppmätt, har använts för att förutsäga kristallens orientering.

När de granskade deras första resultat från Raman -spektroskopi, laget märkte flera inkonsekvenser. För att undersöka vidare, de fick verkliga bilder av orienteringen av deras provkristaller med hjälp av Transmission Electron Microscopy (TEM), och jämförde dem sedan med resultaten från Raman -spektroskopi. Som en topografisk teknik, TEM erbjuder en definitiv bestämning av kristallens orientering, men är inte lika lätt att få som Raman -resultaten. Jämförelsen avslöjade att elektron-fonon-interaktioner ensamma inte exakt förutsade kristallens orientering. Och anledningen till varför ledde vägen till ännu en anisotropi av fosforen - interaktioner mellan fotoner av ljus och elektroner i kristallen.

"I Raman använder du en laser för att ge energi till materialet, och det börjar vibrera på sätt som är inneboende i materialet, och som, i fosforen, är anisotropa, "sa Meunier." Men det visar sig att om du lyser ljuset åt olika håll, du får olika resultat, eftersom interaktionen mellan ljuset och elektronerna i materialet-elektron-foton-interaktionen-också är anisotrop, men på ett ojämnt sätt. "

Meunier sa att laget hade anledning att tro att fosforen var anisotrop med avseende på elektron-foton-interaktioner, men förutsåg inte fastighetens betydelse.

"Vanligtvis gör elektron-fotonanisotropi inte så stor skillnad, men här, eftersom vi har en sådan speciell kemi på ytan och en så stark anisotropi, det är ett av de material där det gör en enorm skillnad, "Sa Meunier.

Även om upptäckten avslöjade en brist i tolkningarna av Raman-spektra som förlitar sig på elektron-fonon-interaktioner, det avslöjade också att elektron-foton-interaktioner enbart ger en exakt bestämning av kristallens orientering.

"Det visar sig att det inte är så lätt att använda Raman -vibrationer för att ta reda på kristallens riktning, "Sa Meunier." Men, och det här är det vackra, vad vi fann är att elektron-foton-interaktionen (som kan mätas genom att registrera mängden absorberat ljus)-interaktionen mellan elektronerna och lasern-är en bra förutsägare för riktningen. Nu kan du verkligen förutse hur materialet kommer att bete sig som en funktion av spänning med en yttre stimulans. "