fosfano bidimensionale, un materiale noto come fosforene, ha potenziali applicazioni come materiale per transistor semiconduttori in computer sempre più veloci e potenti. Ma c'è un intoppo. Molte delle proprietà utili di questo materiale, come la sua capacità di condurre elettroni, sono anisotropi, il che significa che variano a seconda dell'orientamento del cristallo. Ora, un team che comprende ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) ha sviluppato un nuovo metodo per determinare in modo rapido e accurato tale orientamento utilizzando le interazioni tra luce ed elettroni all'interno di fosforene e altri cristalli di fosforo nero spessi come atomi.

Il fosforene, un singolo strato di atomi di fosforo, è stato isolato per la prima volta nel 2014, permettendo ai fisici di iniziare ad esplorare le sue proprietà sperimentalmente e teoricamente. Vincent Meunier, capo del dipartimento di fisica di Rensselaer, Fisiche applicate, e Astronomia e un leader del team che ha sviluppato il nuovo metodo, pubblicò il suo primo articolo sul materiale, confermando la struttura del fosforene, in quello stesso anno.

"Questo è un materiale davvero interessante perché, a seconda della direzione in cui fai le cose, hai proprietà completamente diverse, " disse Meunier, un membro del Rensselaer Centre for Materials, Dispositivi, e Sistemi Integrati (cMDIS). "Ma poiché è un materiale così nuovo, è essenziale che iniziamo a capire e prevedere le sue proprietà intrinseche".

Meunier e i ricercatori di Rensselaer hanno contribuito alla modellazione teorica e alla previsione delle proprietà del fosforene, attingendo al supercomputer Rensselaer, il Centro per le innovazioni computazionali (CCI), per eseguire calcoli. Attraverso il Rensselaer cMDIS, Meunier e il suo team sono in grado di sviluppare il potenziale di nuovi materiali come il fosforene per le future generazioni di computer e altri dispositivi. La ricerca di Meunier esemplifica il lavoro svolto al New Polytechnic, affrontare sfide globali difficili e complesse, la necessità di una collaborazione interdisciplinare e vera, e l'uso degli strumenti e delle tecnologie più recenti, molti dei quali sono sviluppati a Rensselaer.

Nella loro ricerca, che appare in ACS Nano lettere , il team ha inizialmente deciso di perfezionare una tecnica esistente per determinare l'orientamento del cristallo. Questa tecnica, che sfrutta la spettroscopia Raman, utilizza un laser per misurare le vibrazioni degli atomi all'interno del cristallo mentre l'energia si muove attraverso di esso, causati da interazioni elettrone-fonone. Come altre interazioni, le interazioni elettrone-fonone all'interno di cristalli spessi atomi di fosforo nero sono anisotrope e, una volta misurato, sono stati utilizzati per prevedere l'orientamento del cristallo.

Nel rivedere i risultati iniziali della spettroscopia Raman, il team ha notato diverse incongruenze. Per approfondire, hanno ottenuto immagini reali dell'orientamento dei loro cristalli campione utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), e poi li ha confrontati con i risultati della spettroscopia Raman. Come tecnica topografica, TEM offre una determinazione definitiva dell'orientamento del cristallo, ma non è facile da ottenere come i risultati Raman. Il confronto ha rivelato che le interazioni elettrone-fonone da sole non predicevano accuratamente l'orientamento del cristallo. E il motivo ha aperto la strada a un'altra anisotropia del fosforene, quella delle interazioni tra fotoni di luce ed elettroni nel cristallo.

"In Raman usi un laser per impartire energia al materiale, e comincia a vibrare in modi intrinseci alla materia, e che, nel fosforo, sono anisotropi, " disse Meunier. "Ma si scopre che se fai brillare la luce in direzioni diverse, ottieni risultati diversi, perché anche l'interazione tra la luce e gli elettroni nel materiale, l'interazione elettrone-fotone, è anisotropa, ma in modo non commisurato".

Meunier ha detto che il team aveva motivo di credere che il fosforene fosse anisotropo rispetto alle interazioni elettrone-fotone, ma non ha previsto l'importanza della proprietà.

"Di solito l'anisotropia elettrone-fotone non fa una grande differenza, ma qui, perché abbiamo una chimica così particolare sulla superficie e un'anisotropia così forte, è uno di quei materiali dove fa una grande differenza, " disse Meunier.

Sebbene la scoperta abbia rivelato un difetto nelle interpretazioni degli spettri Raman basati sulle interazioni elettrone-fonone, ha anche rivelato che le sole interazioni elettrone-fotone forniscono una determinazione accurata dell'orientamento del cristallo.

"Si scopre che non è così facile usare le vibrazioni Raman per scoprire la direzione del cristallo, "Meunier ha detto. "Ma, e questa è la cosa bella, quello che abbiamo scoperto è che l'interazione elettrone-fotone (che può essere misurata registrando la quantità di luce assorbita) - l'interazione tra gli elettroni e il laser - è un buon predittore della direzione. Ora puoi davvero prevedere come si comporterà il materiale in funzione dell'eccitazione con uno stimolo esterno".