Svart fosfor, en ovanlig tvådimensionell (2D) förening, kan erbjuda strategier för att undvika skadliga hot spots i nanoskala kretsar, en ny studie från A*STAR-forskare har avslöjat.

Medan kolatomer i grafenfilmer sitter perfekt plant på en yta, svart fosforen har en distinkt skrynklig form på grund av bindningspreferenserna hos dess fosforatomer. Undersökningar tyder på att sicksackstrukturen hos denna 2D-film gör att den kan bete sig annorlunda i olika orienteringar:den kan transportera elektroner långsamt längs en axel, till exempel, men snabbt i vinkelrät riktning.

Xiangjun Liu, från A*STAR Institute of High Performance Computing noterar att svart fosforens kapacitet sträcker sig bortom höghastighetselektronik. "Den har optisk, mekanisk, och termiska egenskaper som alla uppvisar riktningsberoende, " säger han. "Detta härrör från den unika rynkiga strukturen, vilket verkligen imponerade på mig när jag såg den första gången."

Forskare har en teori om att överskottsvärme kan hämtas från kretsar i nanoskala med hjälp av exakt kontrollerade fononer - "kvanta" eller paket av vibrationsenergi - som finns i svarta fosforkomponenter.

Liu och medarbetare fokuserade sin studie på en viktig strukturell fråga som kan påverka fosforens värmeledningsförmåga - atomstrukturerna vid kanterna av 2D-filmen. Forskare har förutspått att fosforen antingen kan ha en dimerkant som bildas genom koppling av två terminala atomer, eller en energimässigt stabil rörformad kant skapad av multiatombindning.

För att förstå hur olika kantstrukturer påverkar värmeledningsförmågan, A*STAR-teamet använde datoralgoritmer som simulerar fononöverföring över en temperaturgradient. De modellerade fosforenfilmer som smala, rektangulära nanoband och observerade att värmeledningsförmågan var mestadels enhetlig i orörda nanoband. Dimer- och rörterminerade modeller, å andra sidan, föredrog att rikta värme till centrala områden bort från kanterna.

Ytterligare beräkningar visade att de rörkantade modellerna producerade olika fononexcitationer från de andra fosforenstrukturerna - de uppvisade en ny typ av vridningsrörelse, såväl som geometriska expansioner och sammandragningar som kallas andningslägen. Dessa ytterligare rörelser, förklarar Liu, Det är förmodligen därför rörkanterna fungerar så bra för att sprida termiska vibrationer och förbli svala.

I vanliga fall, 2D-material har minskad förmåga att sprida värme när de belastas i sidled. Tube-terminerade nanoband, dock, har nästan konstant värmeledningsförmåga under påfrestningar - en egenskap som kan vara användbar i framtida bärbar teknologi.

"Stammen oberoende termiska beteende skulle kunna dra enheter som behöver stabil prestanda under det att den ansträngda eller vrids, " säger Liu. "Fosforen har stor potential för tillämpningar av mjuk och flexibel elektronik."