En atomtjock film av bor kan vara det första rena tvådimensionella materialet som kan avge synligt och nära infrarött ljus genom att aktivera dess plasmoner, enligt forskare från Rice University.

Det skulle göra materialet känt som borofen till en kandidat för plasmoniska och fotoniska enheter som biomolekylsensorer, vågledare, ljusskördare och nanoantenner i nanoskala.

Plasmoner är kollektiva excitationer av elektroner som flödar över ytan av metaller när de utlöses av en inmatning av energi, som laserljus. Betydligt nog, att leverera ljus till ett plasmoniskt material i en färg (bestäms av ljusets frekvens) kan föranleda emission av ljus i en annan färg.

Modeller av Rice teoretiske fysiker Boris Yakobson och hans kollegor förutspår att borofen skulle vara det första kända 2D-materialet som gör det naturligt, utan modifiering.

Labbets simuleringar beskrivs i en artikel av Yakobson med huvudförfattarna Yuefei Huang, en doktorand, och Sharmila Shirodkar, en postdoktor, i Journal of the American Chemical Society .

Bor är en halvledare i tre dimensioner men en metall i 2D-form. Det fick labbet att ta en titt på dess potential för plasmonisk manipulation.

"Detta var typ av förväntan, men vi var tvungna att göra ett noggrant arbete för att bevisa och kvantifiera det, sa Yakobson, vars labb ofta förutsäger möjliga material som experimentalister senare gör, som borofen eller bor buckyball. Med kollegor Evgeni Penev, en biträdande forskningsprofessor vid Rice, och alumn Zhuhua Zhang, han publicerade nyligen en omfattande översikt av borforskningens tillstånd.

I den nya studien, forskarna använde en beräkningsmodelleringsteknik som kallas densitetsfunktionsteori för att testa plasmoniskt beteende i tre typer av fristående borofen. Materialets baslinjekristallstruktur är ett rutnät av trianglar – tänk grafen men med en extra atom i mitten av varje hexagon.

Labbet studerade modeller av vanlig borofen och två polymorfer, fasta ämnen som innehåller mer än en kristallin struktur som bildas när några av dessa mellanatomer avlägsnas. Deras beräkningar visade att triangulärt borofen hade de bredaste emissionsfrekvenserna, inklusive synligt ljus, medan de andra två nådde nästan infrarött.

"Vi har inte tillräckligt med experimentella data för att avgöra vilka mekanismer som bidrar hur mycket till förlusterna i dessa polymorfer, men vi förutser och inkluderar spridning av plasmoner mot defekter och excitation av elektroner och hål som leder till deras dämpning, " sa Shirodkar.

Forskarna sa att deras resultat presenterar den intressanta möjligheten att manipulera data vid subdiffraktionsvåglängder.

"Om du har en optisk signal med en våglängd som är större än en elektronisk krets på några nanometer, det finns en obalans, " sa hon. "Nu kan vi använda signalen för att excitera plasmoner i materialet som packar samma information (buren av ljuset) i ett mycket mindre utrymme. Det ger oss ett sätt att pressa signalen så att den kan gå in i den elektroniska kretsen."

"Det visar sig att det är viktigt eftersom på ett ungefär, det kan förbättra upplösningen med 100 gånger, i vissa fall, " sade Yakobson. "Upplösningen är begränsad av våglängden. Genom att använda plasmoner, du kan lagra information eller skriva in i ett material med en mycket högre upplösning på grund av krympningen av våglängden. Detta kan ha stora fördelar för datalagring."

Experimentalister har endast tillverkat borofen i mycket små mängder hittills och saknar metoder för att överföra materialet från de ytor som det odlas på, sa Yakobson. Fortfarande, det finns mycket för teoretiska forskare att studera och gott om framsteg i laborationerna.

"Man bör utforska andra polymorfer och leta efter den bästa, "föreslog Yakobson. "Här, det gjorde vi inte. Vi tänkte bara på tre, eftersom det är ganska tungt arbete – men andra måste undersökas innan vi vet vad som är möjligt."