Enstaka atomark av svart fosfor väcker uppmärksamhet för sin potential i framtida elektroniktillämpningar. A*STAR-forskare har nu genomfört experiment i nanoskala för att avslöja hemligheten bakom detta materials anmärkningsvärda riktade värmetransportegenskaper.

Svart fosfor har en skiktad bikakestruktur som ger den några exotiska fysiska och elektroniska egenskaper. Dess bikakegaller är inte plant, men rynkig, och dess fysiska egenskaper skiljer sig beroende på om de mäts över eller längs rynkorna. Värme, till exempel, transporteras ungefär dubbelt så snabbt i rynk- eller sicksackriktningen jämfört med tvärs över rynkorna, eller riktningen "fåtölj". Jing Wu och kollegor vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering använde sina toppmoderna experimentanläggningar för att upptäcka orsaken till denna mycket ovanliga status.

"Den starka anisotropin av värmetransport i svart fosfor har teoretiskt tillskrivits spridningen eller avslappningen av gittervibrationer som kallas fononer, men det exakta ursprunget var oklart, " säger Wu. "Att förstå denna mekanism kan hjälpa oss att bättre kontrollera värmeflödet i nanoelektroniska enheter, vilket skulle vara mycket användbart i chipdesign för bättre värmeavledning."

Teamet började med antagandet att fononernas färdhastighet är likvärdig med ljudets hastighet i ett material, vilket i sin tur har ett väl definierat förhållande till materialets styvhet. De använde sin expertis inom materialmätningar med hög precision för att sätta upp ett experiment som gjorde det möjligt för dem att mäta både värmetransport och styvhet i samma system, med svarta fosfornanoband med antingen sicksack- eller fåtöljorientering.

"Att undersöka värmetransporten och styvheten hos nanobanden var mycket utmanande, " säger Wu. "Vi tillverkade två orienteringar av nanoband genom att använda elektronstrålelitografi på en tunn film av svart fosfor. Vi plockade sedan upp nanobanden med nanomanipulatorer under ett svepelektronmikroskop, och överförde dem till vårt labbbyggda mikro-elektrotermiska system där de testades med ett atomkraftmikroskop. Det här är tekniker som vi har utvecklat och använt i mer än åtta år."

Dessa experimentella mätningar bekräftade en fysisk koppling mellan den termiska transporten och ett mått på styvhet, känd som Youngs modul, tillhandahålla den första direkta informationen om ursprunget till fonontransportanisotropi i svart fosfor.

"Förhållandet mellan värmeledningsförmåga mellan sicksack och fåtölj nanoband är nästan identiskt med förhållandet mellan motsvarande Youngs modulvärden, säger Wu, "och motsvarar förhållandet teoretiserat av de första principernas beräkningar."