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  • Piccole modifiche alle strutture dei bordi dei nanonastri possono alterare drasticamente la conduzione del calore

    Strutture atomiche simili a tubi sui bordi dei nanonastri a base di fosforo aiutano a mantenere questo materiale 2D conduttivo durante i periodi di stress termico o di trazione. Credito:A*STAR Institute of High Performance Computing

    fosforene nero, un insolito composto bidimensionale (2-D), possono offrire strategie per evitare punti caldi dannosi nei circuiti su scala nanometrica, ha rivelato un nuovo studio dei ricercatori A*STAR.

    Mentre gli atomi di carbonio nei film di grafene siedono perfettamente piatti su una superficie, il fosforene nero ha una forma rugosa distinta a causa delle preferenze di legame dei suoi atomi di fosforo. Le indagini suggeriscono che la struttura a zig-zag di questo film 2-D gli consente di comportarsi diversamente in diversi orientamenti:può trasportare elettroni lentamente lungo un asse, Per esempio, ma rapidamente in direzione perpendicolare.

    Xiangjun Liu, dell'A*STAR Institute of High Performance Computing rileva che le capacità del fosforene nero vanno oltre l'elettronica ad alta velocità. "Ha ottiche, meccanico, e proprietà termiche che mostrano tutti dipendenza direzionale, " dice. "Questo deriva dalla struttura unica increspata, che mi ha davvero colpito quando l'ho visto per la prima volta."

    I ricercatori teorizzano che il calore in eccesso potrebbe essere prelevato da circuiti su nanoscala utilizzando fononi controllati con precisione, "quanti" o pacchetti di energia vibrazionale, presenti nei componenti del fosforene nero.

    Liu e i suoi collaboratori hanno concentrato il loro studio su un importante problema strutturale che può influenzare la conduttività termica del fosforene:le strutture degli atomi ai bordi del film 2-D. I ricercatori hanno previsto che il fosforene potrebbe avere un bordo dimero formato dall'accoppiamento di due atomi terminali, o un bordo a forma di tubo energeticamente stabile creato da un legame multi-atomo.

    Per capire in che modo le diverse strutture dei bordi influiscono sulla conduttività termica, il team A*STAR ha utilizzato algoritmi informatici che simulano il trasferimento di fononi attraverso un gradiente di temperatura. Hanno modellato i film di fosforene come stretti, nanonastri rettangolari e ha osservato che la conduttività termica era per lo più uniforme nei nanonastri incontaminati. I modelli dimero e tubo terminato, d'altra parte, preferito dirigere il calore verso le regioni centrali lontano dai bordi.

    Ulteriori calcoli hanno rivelato che i modelli con i bordi del tubo hanno prodotto eccitazioni fononiche diverse dalle altre strutture del fosforene:hanno mostrato un nuovo tipo di movimento di torsione, così come le espansioni e le contrazioni geometriche denominate modalità di respirazione. Questi movimenti aggiuntivi, spiega Liu, sono probabilmente il motivo per cui i bordi dei tubi funzionano così bene nel disperdere le vibrazioni termiche e rimanere freschi.

    Normalmente, I materiali 2-D hanno una ridotta capacità di diffondere il calore quando vengono sollecitati lateralmente. Nanonastri con terminazione a tubo, però, hanno una conduttività termica quasi costante sotto sforzo, una proprietà che potrebbe essere utile nella futura tecnologia indossabile.

    "Il comportamento termico indipendente dalla deformazione potrebbe avvantaggiare i dispositivi che necessitano di prestazioni stabili mentre vengono sollecitati o attorcigliati, " dice Liu. "Il fosforene ha un grande potenziale per applicazioni di elettronica morbida e flessibile".


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