Una nuova rivelazione sperimentale sui nanonastri di fosforo nero dovrebbe facilitare la futura applicazione di questo materiale altamente promettente all'elettronica, dispositivi optoelettronici e termoelettrici. Un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha confermato sperimentalmente una forte anisotropia nel piano nella conduttività termica, fino a un fattore due, lungo le direzioni a zig-zag e poltrona di nanonastri di fosforo nero a cristallo singolo.

"Immagina il reticolo di fosforo nero come una rete bidimensionale di sfere collegate a molle, in cui la rete è più morbida lungo una direzione del piano rispetto a un'altra, "dice Junqiao Wu, un fisico che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università della California (UC). "Il nostro studio mostra che in modo simile il flusso di calore nei nanonastri di fosforo nero può essere molto diverso lungo direzioni diverse nel piano. Questa anisotropia di conduttività termica è stata prevista di recente per i cristalli di fosforo nero 2D dai teorici, ma mai osservata prima".

Wu è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca in Comunicazioni sulla natura intitolato "Conducibilità termica anisotropica nel piano di nanonastri di fosforo nero a temperature superiori a 100K". Gli autori principali sono Sangwook Lee e Fan Yang. (Vedi sotto per un elenco completo degli autori)

Fosforo nero, chiamato per il suo colore distintivo, è un semiconduttore naturale con un gap energetico che consente di attivare e disattivare la sua conduttanza elettrica. È stato teorizzato che a differenza del grafene, il fosforo nero ha anisotropia opposta nelle conduttività termica ed elettrica - cioè, il calore scorre più facilmente lungo una direzione in cui l'elettricità scorre con più difficoltà. Tale anisotropia darebbe impulso alla progettazione di transistor e dispositivi termoelettrici efficienti dal punto di vista energetico, ma la conferma sperimentale si è rivelata difficile a causa della preparazione del campione e dei requisiti di misurazione.

"Abbiamo fabbricato nanonastri di fosforo nero con un approccio dall'alto verso il basso utilizzando la litografia, quindi utilizzato dispositivi micro-pad sospesi per isolare termicamente i nanonastri dall'ambiente in modo che il gradiente di temperatura e la conduzione termica lungo un singolo nanonastro potessero essere determinati con precisione, " Wu dice. "Abbiamo anche fatto il possibile per progettare l'interfaccia tra il nanonastro e gli elettrodi di contatto per garantire resistenze di contatto termiche ed elettriche trascurabili, che è essenziale per questo tipo di esperimento."

I risultati dello studio, che è stato effettuato presso la Fonderia Molecolare, un DOE Office Science User Facility ospitato da Berkeley Lab, ha rivelato un'elevata anisotropia direzionale nella conduttività termica a temperature superiori a 100 Kelvin. Questa anisotropia è stata attribuita principalmente alla dispersione fonone con un certo contributo dalla velocità di scattering fonone-fonone, entrambi i quali dipendono dall'orientamento. Un'analisi dettagliata ha rivelato che a 300 Kelvin, la conduttività termica è diminuita quando lo spessore del nanonastro si è ridotto da circa 300 nanometri a circa 50 nanometri. Il rapporto di anisotropia è rimasto a un fattore due all'interno di questo intervallo di spessore.

"L'anisotropia che abbiamo scoperto nella conduttività termica dei nanonastri di fosforo nero indica che quando questi materiali stratificati vengono modellati in forme diverse per dispositivi microelettronici e optoelettronici, l'orientamento reticolare dei modelli dovrebbe essere considerato, " Wu dice. "Questa anisotropia può essere particolarmente vantaggiosa se la generazione e la dissipazione del calore svolgono un ruolo nel funzionamento del dispositivo. Per esempio, queste conducibilità termiche dipendenti dall'orientamento ci offrono l'opportunità di progettare dispositivi microelettronici con diversi orientamenti reticolari per il raffreddamento e il funzionamento dei microchip. Potremmo utilizzare una gestione termica efficiente per ridurre la temperatura del chip e migliorarne le prestazioni".

Wu e i suoi colleghi hanno in programma di utilizzare la loro piattaforma sperimentale per studiare come viene influenzata la conduttività termica nei nanonastri di fosforo nero in diversi scenari, come le etero-interfacce, transizioni di fase e confini di dominio. Vogliono anche esplorare gli effetti di varie condizioni fisiche come lo stress e la pressione.