Las láminas atómicas individuales de fósforo negro están atrayendo la atención por su potencial en futuras aplicaciones electrónicas. Los investigadores de A * STAR han completado experimentos a nanoescala para descubrir el secreto de las notables propiedades direccionales de transporte de calor de este material.

El fósforo negro tiene una estructura atómica en forma de panal de abejas que le confiere algunas propiedades físicas y electrónicas exóticas. Su celosía alveolar no es plana, pero arrugado, y sus propiedades físicas difieren dependiendo de si se miden a lo largo de las arrugas. Calor, por ejemplo, se transporta aproximadamente el doble de rápido en la dirección de las arrugas o 'zigzag' en comparación con las arrugas, o la dirección del "sillón". Jing Wu y sus colegas del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales utilizaron sus instalaciones experimentales de última generación para descubrir la razón de este estado tan inusual.

"La fuerte anisotropía del transporte de calor en el fósforo negro se ha atribuido teóricamente a la dispersión o relajación de las vibraciones reticulares conocidas como fonones, pero el origen exacto no estaba claro, ", dice Wu." Comprender este mecanismo podría ayudarnos a controlar mejor el flujo de calor en los dispositivos nanoelectrónicos, lo que sería muy útil en el diseño de chips para una mejor disipación del calor ".

El equipo partió de la premisa de que la velocidad de desplazamiento de los fonones es equivalente a la velocidad del sonido en un material, que a su vez tiene una relación bien definida con la rigidez del material. Utilizaron su experiencia en mediciones de materiales de alta precisión para establecer un experimento que les permitió medir tanto el transporte de calor como la rigidez en el mismo sistema. utilizando nanocintas de fósforo negro con orientación en zigzag o como sillón.

"Probar el transporte de calor y la rigidez de las nanocintas fue un gran desafío, "dice Wu." Fabricamos dos orientaciones de nanocintas usando litografía por haz de electrones en una película delgada de fósforo negro. Luego recogimos las nanocintas usando nano-manipuladores bajo un microscopio electrónico de barrido, y los transfirió a nuestro sistema microelectrotérmico construido en laboratorio donde fueron probados usando un microscopio de fuerza atómica. Estas son técnicas que hemos estado desarrollando y utilizando durante más de ocho años ".

Estas mediciones experimentales confirmaron un vínculo físico entre el transporte térmico y una medida de rigidez, conocido como módulo de Young, proporcionando la primera información directa sobre el origen de la anisotropía del transporte de fonones en el fósforo negro.

"La relación de conductividad térmica entre el zigzag y las nanocintas del sillón es casi idéntica a la relación de los correspondientes valores del módulo de Young, "dice Wu, "y corresponde a la relación teorizada por los cálculos de los primeros principios".