Forskare vid University of Arkansas har studerat de optiska egenskaperna hos en speciell typ av material tillverkat av ett enda lager fosforatomer för att upptäcka och interagera med infrarött ljus, som är osynlig inte bara för det mänskliga ögat utan för många andra material som föreslås för användning i optoelektroniska system.
Sådana system strävar efter att använda ljus vid sidan av elektroner för att påskynda bearbetningen och för att minska uppvärmning och andra energikonsumtioner i vår ständigt växande uppsjö av beräkningsenheter.
Gruppen av forskare vid Institutionen för fysik publicerade sina fynd i ett nyligen publicerat nummer av Vetenskapliga rapporter , en tidskrift från utgivarna av Nature, hjälper till att främja förståelsen av svart fosfor som ett optiskt användbart material. Fysik doktorand Desalegn Debu var den första författaren till detta teoretiska och beräkningsarbete med titeln Tuning Infrared Plasmon Resonance of Black Phosphorene Nanoribbon with a Dielectric Interface. Andra författare inkluderar Stephen Bauman och David French, University of Arkansas doktorander; och Hugh Churchill och Joseph Herzog, biträdande professorer vid Institutionen för fysik.
I likhet med ett stenstänk som får vågor att röra sig över en damms yta, ljus som lyser på ett plasmoniskt material får elektroner att röra sig fram och tillbaka på ytan. Denna våg av elektroner, känd som en plasmon, kan ställas in som ett musikinstrument för att svänga starkast för vissa ljusfrekvenser (färger), vilket gör dem användbara för applikationer som sträcker sig över stora delar av spektrumet av synliga och osynliga signaler. Tuning är nyckeln till användningen av plasmoniskt material för specifika applikationer, precis som att stämma ett musikinstrument är avgörande för att skapa önskad ton.
Tvådimensionella material som grafen, ett skikt kol med en atom-tjocklek, har upplevt mycket hype i den vetenskapliga världen under det senaste decenniet. De erbjuder potentialen att minska storleken på olika optoelektroniska komponenter ner till enstaka atomer tjocka samt dra nytta av unika fysiska egenskaper. Medan grafen har varit '' affischbarn '' för 2-D-material och det ännu kan lova förbättrad elektronik, materialstyrka, eller ljusbaserad teknik, det är inte perfekt. Graphene saknar det som kallas bandgap, en definierande egenskap hos halvledare. Denna begränsning av grafen kringgås genom att titta på andra material som erbjuder överlägsen struktur, elektrisk, termisk, eller optiska egenskaper. Svart fosfor, som har en korrugerad struktur av fosforatomer med två olika kristallina riktningar, erbjuder unika fördelar jämfört med andra tidigare studerade alternativ.
Studien utförd av Debu och hans kollegor undersöker de teoretiska effekterna av förändrade materialegenskaper i området kring ett svart fosforark. Resultaten visar att våglängden för ljus som absorberas av materialet kan justeras genom att ändra det omgivande materialet. Studien avancerade också förståelsen för materialets plasmoniska natur när det är mönstrat i nanoskala band med olika bredder. Kombinera inställningsparametrarna för nanoribondbredd och omgivande media, svart fosfor kan bli ett mycket användbart material för applikationer som involverar infrarött ljus. En ytterligare fördel med svart fosfor är att dess två olika kristallina riktningar gör att ljus kan interagera olika med elektronerna på ytan beroende på orienteringen av ljusvågorna som används i applikationen.
