När elektroner är instängda i mycket små utrymmen, de kan uppvisa ovanliga elektriska, optiskt och magnetiskt beteende. Från att begränsa elektroner i tvådimensionell atomarkgrafen – en bedrift som vann Nobelpriset i fysik 2010 – till att begränsa elektroner ytterligare för att uppnå endimensionalitet, denna breda forskningslinje förändrar landskapet för grundläggande forskning och tekniska framsteg inom fysik, kemi, energiskörd, information och mer.

I en studie publicerad i Naturkommunikation , ett internationellt team ledd av Aalto-universitetets forskare har nu funnit att fibrös röd fosfor, när elektroner är instängda i sina endimensionella underenheter, kan visa stora optiska svar – det vill säga materialet visar stark fotoluminescens under ljusbestrålning. Röd fosfor, som grafen, tillhör en unik grupp av material som kallas endimensionella van der Waals (1D vdW) material. Ett 1D vdW-material är en radikalt ny typ av material som upptäcktes först 2017. Fram till nu, forskning på 1vdW-material har fokuserat på elektriska egenskaper.

Teamet avslöjade de optiska egenskaperna hos 1D vdW fibrös röd fosfor genom mätningar som fotoluminescensspektroskopi, där de lyste laserljus på proverna och mätte färgen och ljusstyrkan på ljuset som sänds tillbaka. Resultaten visar att 1D vdW-materialet visar gigantiska anisotropa linjära och icke-linjära optiska svar – med andra ord, de optiska svaren beror starkt på orienteringen av den fibrösa fosforkristallen – såväl som emissionsintensitet, som relaterar till antalet fotoner som emitteras under en viss tid.

"Sättet det svarade på i experimenten gör 1D vdW fibrös röd fosfor till ett riktigt spännande material. Till exempel, den visar både gigantiska anisotropa linjära och icke-linjära svar såväl som emissionsintensitet, vilket är slående, " säger Dr Luojun Du, en postdoktor vid Aalto-universitetet.

Materialets fotoluminescens – den effekt som vanligtvis ses i vardagen i reflekterande skyltar eller leksaker som lyser i mörkret för barn, när ljus sänds ut efter absorption – överraskade också forskarna. Teamet jämförde fotoluminescensen av fibrös röd fosfor med monolager molybdendisulfid (MoS2), som är känd för sin starka fotoluminescens, och fann att intensiteten av fotoluminescensen var mer än 40 gånger mer intensiv, vilket gör den ultraljus – om än väldigt kort.

"Den starka fotoluminescensen av fibrös röd fosfor är oväntad. Faktum är att vi förväntade oss initialt att fotoluminescensen av fibrös röd fosfor endast skulle vara svag. Baserat på teoretiska beräkningar, den här effekten borde faktiskt inte vara stark så vi gör nu fler experiment för att klargöra ursprunget till dess efterglöd, säger Du.

"Jag tror att endimensionella van der Waals-material som fibrös röd fosfor visar verkligt lovande för skärmar och andra applikationer, som förlitar sig på material som visar exakt de beteenden vi har sett i den här studien. Spektrumet för dess anisotropa optiska respons verkar också vara mycket brett om vi jämför det med svar från konventionella material, " säger professor Zhipei Sun, som leder gruppen bakom studien.

Studien publicerades i Naturkommunikation den 10 augusti 2021.