Fosfano bidimensional, un material conocido como fosforeno, tiene una aplicación potencial como material para transistores semiconductores en computadoras cada vez más rápidas y potentes. Pero hay un problema. Muchas de las propiedades útiles de este material, como su capacidad para conducir electrones, son anisotrópicos, lo que significa que varían según la orientación del cristal. Ahora, un equipo que incluye a investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI) ha desarrollado un nuevo método para determinar de forma rápida y precisa esa orientación utilizando las interacciones entre la luz y los electrones dentro del fosforeno y otros cristales de fósforo negro con un grosor de átomos.

El fosforeno, una sola capa de átomos de fósforo, se aisló por primera vez en 2014, permitiendo a los físicos comenzar a explorar sus propiedades experimental y teóricamente. Vincent Meunier, jefe del Departamento de Física de Rensselaer, Física Aplicada, and Astronomy y líder del equipo que desarrolló el nuevo método, publicó su primer artículo sobre el material, confirmando la estructura del fosforeno, en ese mismo año.

"Este es un material realmente interesante porque, dependiendo de en qué dirección hagas las cosas, tienes propiedades completamente diferentes, "dijo Meunier, miembro del Centro Rensselaer de Materiales, Dispositivos, y Sistemas Integrados (cMDIS). "Pero debido a que es un material tan nuevo, es fundamental que comencemos a comprender y predecir sus propiedades intrínsecas ".

Meunier y los investigadores de Rensselaer contribuyeron al modelado teórico y la predicción de las propiedades del fosforeno, basándose en la supercomputadora Rensselaer, el Centro de Innovaciones Computacionales (CCI), para realizar cálculos. A través del cMDIS de Rensselaer, Meunier y su equipo pueden desarrollar el potencial de nuevos materiales como el fosforeno para servir en las generaciones futuras de computadoras y otros dispositivos. La investigación de Meunier ejemplifica el trabajo que se realiza en The New Polytechnic, abordar desafíos globales difíciles y complejos, la necesidad de una verdadera colaboración interdisciplinaria, y el uso de las últimas herramientas y tecnologías, muchos de los cuales se desarrollan en Rensselaer.

En su investigación, que aparece en ACS Nano letras , Inicialmente, el equipo se propuso perfeccionar una técnica existente para determinar la orientación del cristal. Esta tecnica, que aprovecha la espectroscopia Raman, utiliza un láser para medir las vibraciones de los átomos dentro del cristal a medida que la energía se mueve a través de él, causada por interacciones electrón-fonón. Como otras interacciones, Las interacciones electrón-fonón dentro de átomos de espesor, los cristales de fósforo negro son anisotrópicos y, una vez medido, se han utilizado para predecir la orientación del cristal.

Al revisar sus resultados iniciales de la espectroscopia Raman, el equipo notó varias inconsistencias. Para investigar más, obtuvieron imágenes reales de la orientación de sus cristales de muestra utilizando microscopía electrónica de transmisión (TEM), y luego los comparó con los resultados de la espectroscopía Raman. Como técnica topográfica, TEM ofrece una determinación definitiva de la orientación del cristal, pero no es tan fácil de obtener como los resultados Raman. La comparación reveló que las interacciones electrón-fonón por sí solas no predecían con precisión la orientación del cristal. Y la razón por la cual abrió el camino a otra anisotropía del fosforeno:la de las interacciones entre los fotones de luz y los electrones en el cristal.

"En Raman se usa un láser para impartir energía al material, y comienza a vibrar de formas intrínsecas al material, y cual, en fosforeno, son anisotrópicos, "dijo Meunier." Pero resulta que si haces brillar la luz en diferentes direcciones, obtienes diferentes resultados, porque la interacción entre la luz y los electrones en el material (la interacción electrón-fotón) también es anisotrópica, pero de una manera no proporcional ".

Meunier dijo que el equipo tenía razones para creer que el fosforeno era anisotrópico con respecto a las interacciones electrón-fotón. pero no anticipó la importancia de la propiedad.

"Por lo general, la anisotropía electrón-fotón no hace una gran diferencia, pero aquí, porque tenemos una química tan particular en la superficie y una anisotropía tan fuerte, es uno de esos materiales en los que marca una gran diferencia, "Dijo Meunier.

Aunque el descubrimiento reveló una falla en las interpretaciones de los espectros Raman que se basan en interacciones electrón-fonón, También reveló que las interacciones electrón-fotón por sí solas proporcionan una determinación precisa de la orientación del cristal.

"Resulta que no es tan fácil usar vibraciones Raman para averiguar la dirección del cristal, "Dijo Meunier." Pero, y esto es lo bello lo que encontramos es que la interacción electrón-fotón (que se puede medir registrando la cantidad de luz absorbida) —la interacción entre los electrones y el láser— es un buen predictor de la dirección. Ahora puede predecir realmente cómo se comportará el material en función de la excitación con un estímulo externo ".