Folhas atômicas únicas de fósforo preto estão atraindo a atenção por seu potencial em futuras aplicações eletrônicas. Os pesquisadores do A * STAR concluíram experimentos em nanoescala para desvendar o segredo das notáveis ​​propriedades de transporte de calor direcional deste material.

O fósforo negro tem uma estrutura atômica em favo de mel em camadas que lhe confere algumas propriedades físicas e eletrônicas exóticas. Sua estrutura de favo de mel não é plana, mas enrugado, e suas propriedades físicas diferem dependendo se são medidas ao longo ou ao longo das rugas. Aquecer, por exemplo, é transportado cerca de duas vezes mais rápido na direção das rugas ou 'ziguezague' em comparação com as rugas, ou a direção 'poltrona'. Jing Wu e colegas do Instituto A * STAR de Pesquisa e Engenharia de Materiais usaram suas instalações experimentais de última geração para descobrir a razão desse status incomum.

"A forte anisotropia do transporte de calor no fósforo preto foi teoricamente atribuída à dispersão ou relaxamento das vibrações da rede conhecidas como fônons, mas a origem exata não era clara, "diz Wu." Compreender este mecanismo pode nos ajudar a controlar melhor o fluxo de calor em dispositivos nanoeletrônicos, o que seria muito útil no design de chips para melhor dissipação de calor. "

A equipe partiu da premissa de que a velocidade de viagem dos fônons é equivalente à velocidade do som em um material, que por sua vez tem uma relação bem definida com a rigidez do material. Eles usaram sua experiência em medições de materiais de alta precisão para criar um experimento que lhes permitiu medir o transporte de calor e a rigidez no mesmo sistema, usando nanofitas de fósforo preto com orientação em zigue-zague ou poltrona.

"Sondar o transporte de calor e a rigidez das nanofitas foi muito desafiador, "diz Wu." Nós fabricamos duas orientações de nanofitas usando litografia de feixe de elétrons em uma fina película de fósforo preto. Em seguida, pegamos as nanofitas usando nanomanipuladores sob um microscópio eletrônico de varredura, e os transferimos para nosso sistema microeletrotérmico construído em laboratório, onde foram testados usando um microscópio de força atômica. São técnicas que desenvolvemos e usamos há mais de oito anos. "

Essas medições experimentais confirmaram uma ligação física entre o transporte térmico e uma medida de rigidez, conhecido como módulo de Young, fornecendo a primeira informação direta sobre a origem da anisotropia de transporte de fônons no fósforo preto.

"A proporção da condutividade térmica entre as nanofitas em zigue-zague e as nanofitas de poltrona é quase idêntica à proporção dos valores do módulo de Young correspondentes, "diz Wu, "e corresponde à relação teorizada pelos cálculos dos primeiros princípios."