Una nueva revelación experimental sobre las nanocintas de fósforo negro debería facilitar la futura aplicación de este material altamente prometedor a la electrónica, dispositivos optoelectrónicos y termoeléctricos. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha confirmado experimentalmente una fuerte anisotropía en el plano en la conductividad térmica, hasta un factor de dos, a lo largo de las direcciones en zigzag y sillón de nanocintas de fósforo negro monocristalino.

"Imagina la celosía de fósforo negro como una red bidimensional de bolas conectadas con resortes, en el que la red es más suave a lo largo de una dirección del plano que en otra, "dice Junqiao Wu, un físico que tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Berkeley de la Universidad de California (UC). "Nuestro estudio muestra que, de manera similar, el flujo de calor en las nanocintas de fósforo negro puede ser muy diferente a lo largo de diferentes direcciones en el plano. Esta anisotropía de conductividad térmica ha sido predicha recientemente por los teóricos para los cristales de fósforo negro 2D, pero nunca antes se había observado".

Wu es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en Comunicaciones de la naturaleza titulado "Conductividad térmica anisotrópica en el plano de nanocintas de fósforo negro a temperaturas superiores a 100K". Los autores principales son Sangwook Lee y Fan Yang. (Consulte a continuación para obtener una lista completa de autores)

Fósforo negro, nombrado por su color distintivo, es un semiconductor natural con una banda prohibida de energía que permite que su conductancia eléctrica se encienda y apague. Se ha teorizado que, en contraste con el grafeno, El fósforo negro tiene anisotropía opuesta en conductividades térmicas y eléctricas, es decir, el calor fluye más fácilmente a lo largo de una dirección en la que la electricidad fluye con más dificultad. Tal anisotropía sería un impulso para el diseño de transistores y dispositivos termoeléctricos energéticamente eficientes, pero la confirmación experimental resultó ser un desafío debido a los requisitos de preparación y medición de la muestra.

"Fabricamos nanocintas de fósforo negro en un enfoque de arriba hacia abajo utilizando litografía, luego utilizó dispositivos de micro-almohadillas suspendidas para aislar térmicamente las nanocintas del medio ambiente, de modo que se pudiera determinar con precisión el diminuto gradiente de temperatura y la conducción térmica a lo largo de una sola nanocinta, "Dice Wu." También hicimos un esfuerzo adicional para diseñar la interfaz entre la nanocinta y los electrodos de contacto para garantizar resistencias de contacto térmicas y eléctricas insignificantes, que es esencial para este tipo de experimento ".

Los resultados del estudio, que se llevó a cabo en la Fundición Molecular, una instalación para usuarios de ciencias de la oficina del DOE organizada por Berkeley Lab, reveló una alta anisotropía direccional en la conductividad térmica a temperaturas superiores a 100 Kelvin. Esta anisotropía se atribuyó principalmente a la dispersión de fonones con alguna contribución de la tasa de dispersión de fonón-fonón, ambos dependen de la orientación. Un análisis detallado reveló que a 300 Kelvin, La conductividad térmica disminuyó a medida que el grosor del grosor de las nanocintas se redujo de aproximadamente 300 nanómetros a aproximadamente 50 nanómetros. La relación de anisotropía se mantuvo en un factor de dos dentro de este rango de espesor.

"La anisotropía que descubrimos en la conductividad térmica de las nanocintas de fósforo negro indica que cuando estos materiales en capas se modelan en diferentes formas para dispositivos microelectrónicos y optoelectrónicos, Se debe considerar la orientación de celosía de los patrones, "Dice Wu." Esta anisotropía puede ser especialmente ventajosa si la generación y disipación de calor juegan un papel en el funcionamiento del dispositivo. Por ejemplo, Estas conductividades térmicas dependientes de la orientación nos brindan la oportunidad de diseñar dispositivos microelectrónicos con diferentes orientaciones de celosía para enfriar y operar microchips. Podríamos utilizar una gestión térmica eficiente para reducir la temperatura del chip y mejorar su rendimiento ".

Wu y sus colegas planean usar su plataforma experimental para investigar cómo la conductividad térmica en nanocintas de fósforo negro se ve afectada en diferentes escenarios. como hetero-interfaces, Transiciones de fase y límites de dominio. También quieren explorar los efectos de diversas condiciones físicas como el estrés y la presión.