p Uma nova revelação experimental sobre as nanofitas de fósforo preto deve facilitar a futura aplicação deste material altamente promissor à eletrônica, dispositivos optoeletrônicos e termoelétricos. Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) confirmou experimentalmente uma forte anisotropia no plano na condutividade térmica, até um fator de dois, ao longo das direções em zigue-zague e poltrona de nanofitas de fósforo preto de cristal único. p "Imagine a rede de fósforo negro como uma rede bidimensional de bolas conectadas com molas, em que a rede é mais suave em uma direção do plano do que em outra, "diz Junqiao Wu, um físico que possui nomeações conjuntas com a Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e com o Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade da Califórnia (UC) de Berkeley. "Nosso estudo mostra que, de maneira semelhante, o fluxo de calor nas nanofitas de fósforo preto pode ser muito diferente ao longo de diferentes direções no plano. Esta anisotropia de condutividade térmica foi prevista recentemente para cristais de fósforo preto 2D por teóricos, mas nunca antes observada."

p Wu é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa em Nature Communications intitulado "Condutividade térmica anisotrópica em plano de nanofitas de fósforo preto em temperaturas superiores a 100K." Os autores principais são Sangwook Lee e Fan Yang. (Veja abaixo uma lista completa de autores)

p Fósforo preto, nomeado por sua cor distinta, é um semicondutor natural com um intervalo de energia que permite que sua condutância elétrica seja "ligada e desligada". Foi teorizado que, em contraste com o grafeno, fósforo preto tem anisotropia oposta em condutividades térmicas e elétricas - ou seja, o calor flui mais facilmente ao longo de uma direção em que a eletricidade flui com mais dificuldade. Essa anisotropia seria um impulso para o projeto de transistores e dispositivos termoelétricos com eficiência energética, mas a confirmação experimental provou ser um desafio devido à preparação da amostra e aos requisitos de medição.

p "Nós fabricamos nanofitas de fósforo preto em uma abordagem de cima para baixo usando litografia, em seguida, utilizou dispositivos de micro-almofada suspensos para isolar termicamente as nanofitas do ambiente para que o minúsculo gradiente de temperatura e a condução térmica ao longo de uma única nanofita pudessem ser determinados com precisão, "Diz Wu." Também nos esforçamos para projetar a interface entre a nanofita e os eletrodos de contato para garantir resistências de contato elétrico e térmico desprezíveis, que é essencial para este tipo de experimento. "

p Os resultados do estudo, que foi realizado na Fundição Molecular, um DOE Office Science User Facility hospedado pelo Berkeley Lab, revelou alta anisotropia direcional na condutividade térmica em temperaturas maiores que 100 Kelvin. Esta anisotropia foi atribuída principalmente à dispersão de fônons com alguma contribuição da taxa de espalhamento fônon-fônon, ambos são dependentes da orientação. A análise detalhada revelou que em 300 Kelvin, a condutividade térmica diminuiu conforme a espessura da nanofita diminuiu de aproximadamente 300 nanômetros para aproximadamente 50 nanômetros. A taxa de anisotropia permaneceu em um fator de dois dentro desta faixa de espessura.

p "A anisotropia que descobrimos na condutividade térmica das nanofitas de fósforo preto indica que, quando esses materiais em camadas são padronizados em diferentes formas para dispositivos microeletrônicos e optoeletrônicos, a orientação da rede dos padrões deve ser considerada, "Wu diz." Esta anisotropia pode ser especialmente vantajosa se a geração e dissipação de calor desempenham um papel na operação do dispositivo. Por exemplo, essas condutividades térmicas dependentes da orientação nos dão oportunidades de projetar dispositivos microeletrônicos com diferentes orientações de rede para refrigeração e operação de microchips. Poderíamos usar um gerenciamento térmico eficiente para reduzir a temperatura do chip e melhorar o desempenho do chip. "

p Wu e seus colegas planejam usar sua plataforma experimental para investigar como a condutividade térmica em nanofitas de fósforo preto é afetada em diferentes cenários, como heterointerfaces, transições de fase e limites de domínio. Eles também querem explorar os efeitos de várias condições físicas, como estresse e pressão.