Fosfano bidimensional, um material conhecido como fosforeno, tem aplicação potencial como material para transistores semicondutores em computadores cada vez mais rápidos e poderosos. Mas há um obstáculo. Muitas das propriedades úteis deste material, como sua capacidade de conduzir elétrons, são anisotrópicos, o que significa que variam dependendo da orientação do cristal. Agora, uma equipe que inclui pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) desenvolveu um novo método para determinar com rapidez e precisão essa orientação usando as interações entre a luz e os elétrons dentro do fósforo e outros cristais de fósforo preto com a espessura de átomos.

Fosforeno - uma única camada de átomos de fósforo - foi isolado pela primeira vez em 2014, permitindo que os físicos comecem a explorar suas propriedades experimental e teoricamente. Vincent Meunier, chefe do Departamento de Física Rensselaer, Física aplicada, e Astronomia e um líder da equipe que desenvolveu o novo método, publicou seu primeiro artigo sobre o material - confirmando a estrutura do fosforeno - no mesmo ano.

"Este é um material muito interessante porque, dependendo da direção em que você faz as coisas, você tem propriedades completamente diferentes, "disse Meunier, um membro do Rensselaer Center for Materials, Dispositivos, e Sistemas Integrados (cMDIS). "Mas porque é um material tão novo, é essencial que comecemos a compreender e prever suas propriedades intrínsecas. "

Meunier e pesquisadores da Rensselaer contribuíram para a modelagem teórica e previsão das propriedades do fosforeno, com base no supercomputador Rensselaer, o Centro de Inovações Computacionais (CCI), para realizar cálculos. Por meio do cMDIS Rensselaer, Meunier e sua equipe são capazes de desenvolver o potencial de novos materiais, como o fosforeno, para servir em futuras gerações de computadores e outros dispositivos. A pesquisa de Meunier exemplifica o trabalho que está sendo feito no The New Polytechnic, abordando desafios globais difíceis e complexos, a necessidade de colaboração interdisciplinar e verdadeira, e o uso das ferramentas e tecnologias mais recentes, muitos dos quais são desenvolvidos em Rensselaer.

Em sua pesquisa, que aparece no ACS Nano Letras , a equipe inicialmente decidiu refinar uma técnica existente para determinar a orientação do cristal. Esta técnica, que tira proveito da espectroscopia Raman, usa um laser para medir as vibrações dos átomos dentro do cristal à medida que a energia se move através dele, causada por interações elétron-fônon. Como outras interações, as interações elétron-fônon dentro de cristais de fósforo preto com átomos de espessura são anisotrópicas e, uma vez medido, têm sido usados ​​para prever a orientação do cristal.

Ao revisar seus resultados iniciais da espectroscopia Raman, a equipe percebeu várias inconsistências. Para investigar mais, eles obtiveram imagens reais da orientação de seus cristais de amostra usando Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), e depois os comparou com os resultados da espectroscopia Raman. Como técnica topográfica, TEM oferece uma determinação definitiva da orientação do cristal, mas não é tão fácil de obter quanto os resultados de Raman. A comparação revelou que as interações elétron-fônon por si só não previam com precisão a orientação do cristal. E a razão pela qual abriu o caminho para mais uma anisotropia do fosforeno - a das interações entre fótons de luz e elétrons no cristal.

"Em Raman, você usa um laser para transmitir energia ao material, e começa a vibrar de maneiras intrínsecas ao material, e qual, em fosforeno, são anisotrópicos, "disse Meunier." Mas acontece que se você direcionar a luz em diferentes direções, você obtém resultados diferentes, porque a interação entre a luz e os elétrons no material - a interação elétron-fóton - também é anisotrópica, mas de uma forma não proporcional. "

Meunier disse que a equipe tinha motivos para acreditar que o fosforeno era anisotrópico em relação às interações elétron-fóton, mas não antecipou a importância da propriedade.

"Normalmente a anisotropia elétron-fóton não faz tanta diferença, mas aqui, porque temos uma química particular na superfície e uma anisotropia tão forte, é um daqueles materiais onde faz uma grande diferença, "Disse Meunier.

Embora a descoberta tenha revelado uma falha nas interpretações dos espectros Raman baseados nas interações elétron-fônon, também revelou que as interações elétron-fóton por si só fornecem uma determinação precisa da orientação do cristal.

"Acontece que não é tão fácil usar as vibrações Raman para descobrir a direção do cristal, "Meunier disse." Mas, e esta é a coisa bonita, o que descobrimos é que a interação elétron-fóton (que pode ser medida registrando a quantidade de luz absorvida) - a interação entre os elétrons e o laser - é um bom preditor da direção. Agora você pode realmente prever como o material se comportará em função da excitação com um estímulo externo. "