Un film di boro dello spessore di un atomo potrebbe essere il primo materiale puro bidimensionale in grado di emettere luce visibile e nel vicino infrarosso attivando i suoi plasmoni, secondo gli scienziati della Rice University.

Ciò renderebbe il materiale noto come borofene un candidato per dispositivi plasmonici e fotonici come sensori di biomolecole, guide d'onda, raccoglitori di luce su scala nanometrica e nanoantenne.

I plasmoni sono eccitazioni collettive di elettroni che scorrono attraverso la superficie dei metalli quando innescati da un input di energia, come luce laser. In modo significativo, fornire luce a un materiale plasmonico in un colore (determinato dalla frequenza della luce) può provocare l'emissione di luce in un altro colore.

I modelli del fisico teorico della Rice Boris Yakobson e dei suoi colleghi prevedono che il borofene sarebbe il primo materiale 2-D noto a farlo in modo naturale, senza modifiche.

Le simulazioni del laboratorio sono dettagliate in un articolo di Yakobson con gli autori principali Yuefei Huang, uno studente laureato, e Sharmila Shirodkar, un ricercatore post-dottorato, nel Giornale della Società Chimica Americana .

Il boro è un semiconduttore in tre dimensioni ma un metallo in forma 2-D. Ciò ha spinto il laboratorio a dare un'occhiata al suo potenziale per la manipolazione plasmonica.

"Questo era un po' previsto, ma abbiamo dovuto fare un lavoro accurato per dimostrarlo e quantificarlo, " disse Yakobson, il cui laboratorio spesso predice possibili materiali che gli sperimentali in seguito realizzeranno, come il borofene o il buckyball di boro. Con i colleghi Evgeni Penev, un assistente professore di ricerca alla Rice, e l'alunno Zhuhua Zhang, ha recentemente pubblicato un'ampia rassegna sullo stato della ricerca sul boro.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di modellazione computazionale chiamata teoria del funzionale della densità per testare il comportamento plasmonico in tre tipi di borofene indipendente. La struttura cristallina di base del materiale è una griglia di triangoli, pensa al grafene ma con un atomo in più al centro di ogni esagono.

Il laboratorio ha studiato modelli di borofene semplice e due polimorfi, solidi che incorporano più di una struttura cristallina che si formano quando alcuni di quegli atomi medi vengono rimossi. I loro calcoli hanno mostrato che il borofene triangolare aveva le frequenze di emissione più ampie, compresa la luce visibile, mentre gli altri due hanno raggiunto il vicino infrarosso.

"Non abbiamo abbastanza dati sperimentali per determinare quali meccanismi contribuiscono quanto alle perdite in questi polimorfi, ma anticipiamo e includiamo la diffusione di plasmoni contro i difetti e l'eccitazione di elettroni e lacune che portano al loro smorzamento, " disse Shirodkar.

I ricercatori hanno affermato che i loro risultati presentano l'interessante possibilità di manipolare i dati a lunghezze d'onda di subdiffrazione.

"Se hai un segnale ottico con una lunghezza d'onda maggiore di un circuito elettronico di pochi nanometri, c'è una mancata corrispondenza, " ha detto. "Ora possiamo usare il segnale per eccitare i plasmoni nel materiale che racchiudono le stesse informazioni (trasportate dalla luce) in uno spazio molto più piccolo. Ci dà un modo per spremere il segnale in modo che possa entrare nel circuito elettronico".

"Si scopre che è importante perché, grosso modo, può migliorare la risoluzione di 100 volte, in alcuni casi, " Yakobson ha detto. "La risoluzione è limitata dalla lunghezza d'onda. Usando i plasmoni, è possibile memorizzare informazioni o scrivere in un materiale a una risoluzione molto più elevata a causa del restringimento della lunghezza d'onda. Questo potrebbe avere grandi vantaggi per l'archiviazione dei dati".

Finora gli sperimentatori hanno prodotto borofene solo in quantità molto piccole e non hanno metodi per trasferire il materiale dalle superfici su cui è cresciuto, ha detto Yakobson. Ancora, c'è molto da studiare per gli scienziati teorici e molti progressi nei laboratori.

"Bisogna esplorare altri polimorfi e cercare il migliore, " suggerì Yakobson. "Ecco, non l'abbiamo fatto. Ne abbiamo appena considerati tre, perché è un lavoro piuttosto pesante, ma gli altri devono essere esaminati prima di sapere cosa è realizzabile".