Fogli atomici singoli di fosforo nero stanno attirando l'attenzione per il loro potenziale nelle future applicazioni elettroniche. I ricercatori di A*STAR hanno ora completato esperimenti su nanoscala per svelare il segreto delle straordinarie proprietà di trasporto del calore direzionale di questo materiale.

Il fosforo nero ha una struttura atomica a strati a nido d'ape che gli conferisce alcune proprietà fisiche ed elettroniche esotiche. Il suo reticolo a nido d'ape non è planare, ma rugoso, e le sue proprietà fisiche differiscono a seconda che vengano misurate attraverso o lungo le rughe. Calore, Per esempio, viene trasportato circa due volte più velocemente nella direzione delle rughe o "zigzag" rispetto a attraverso le rughe, o la direzione 'poltrona'. Jing Wu e i colleghi dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering hanno utilizzato le loro strutture sperimentali all'avanguardia per scoprire il motivo di questo stato molto insolito.

"La forte anisotropia del trasporto di calore nel fosforo nero è stata teoricamente attribuita alla dispersione o al rilassamento delle vibrazioni reticolari note come fononi, ma l'origine esatta non era chiara, " dice Wu. "Comprendere questo meccanismo potrebbe aiutarci a controllare meglio il flusso di calore nei dispositivi nanoelettronici, che sarebbe molto utile nella progettazione del chip per una migliore dissipazione del calore."

Il team ha iniziato con la premessa che la velocità di spostamento dei fononi è equivalente alla velocità del suono in un materiale, che a sua volta ha una relazione ben definita con la rigidità del materiale. Hanno usato la loro esperienza nelle misurazioni di materiali ad alta precisione per impostare un esperimento che ha permesso loro di misurare sia il trasporto di calore che la rigidità nello stesso sistema, utilizzando nanonastri di fosforo nero con un orientamento a zigzag oa poltrona.

"Sondare il trasporto di calore e la rigidità dei nanonastri è stato molto impegnativo, " dice Wu. "Abbiamo fabbricato due orientamenti di nanonastri utilizzando la litografia a fascio di elettroni su una sottile pellicola di fosforo nero. Abbiamo quindi raccolto i nanonastri utilizzando nano-manipolatori al microscopio elettronico a scansione, e li abbiamo trasferiti nel nostro sistema microelettrotermico costruito in laboratorio dove sono stati testati utilizzando un microscopio a forza atomica. Queste sono tecniche che sviluppiamo e utilizziamo da più di otto anni".

Queste misurazioni sperimentali hanno confermato un legame fisico tra il trasporto termico e una misura di rigidità, noto come modulo di Young, fornendo le prime informazioni dirette sull'origine dell'anisotropia del trasporto fononico nel fosforo nero.

"Il rapporto di conduttività termica tra i nanonastri a zigzag e a poltrona è quasi identico al rapporto dei corrispondenti valori del modulo di Young, "dice Wu, "e corrisponde alla relazione teorizzata dai calcoli dei principi primi".