 Новое экспериментальное открытие в нанолентах черного фосфора должно способствовать будущему применению этого многообещающего материала в электронных, оптико-электронных и термоэлектрических устройствах. Команда исследователей из Национальной лаборатории Лоренса Беркли экспериментально подтвердила сильную анизотропию в теплопроводности, а также зигзагообразные и изогнутые направления однокристаллических черных нанолент фосфора.
Представьте себе решетку черного фосфора как двумерную сеть шаров, связанных пружинами, в которых сеть мягче вдоль одного направления плоскости, чем другого. Исследование показывает, что в подобной манере поток тепла в нанолентах черных фосфора может различаться по различным направлениям в плоскости. Это анизотропия теплопроводности была недавно предсказана теоретиками для двумерных кристаллов черного фосфора, но никогда прежде не наблюдалась.
Черный фосфор, названный по его отличительному цвету, является естественным полупроводником с энергетической запрещенной зоной, что позволяет «включать» и «выключать» его электрическую проводимость. Было предположение, что в отличие от графена, черный фосфор имеет противоположную анизотропию в тепловой и электрической проводимости - т.е. тепло протекает легче вдоль направления, в котором электричество проходит сложнее. Такая анизотропия будет стимулом для разработки энергоэффективных транзисторов и термоэлектрических устройств, но экспериментальное подтверждение оказалось сложной задачей из-за требований пробоподготовки и измерений.
Исследователи изготовлены черные наноленты фосфора походом «сверху вниз» с помощью литографии, затем использовали взвешенные устройства для термической изоляции нанолент от окружающей среды, чтобы крошечные градиент температуры и тепловая проводимость вдоль одной наноленты могла быть точно определена. Они также спроектировали интерфейс между нанолентой и контактными электродами для обеспечения незначительного теплового и электрического сопротивления контактов, что очень важно для данного типа эксперимента.
Результаты исследования показали высокую направленную анизотропию теплопроводности при температурах, превышающих 100 градусов Кельвина. Эта анизотропия объясняется главным образом дисперсией фононов с некоторой вклада ставки рассеяния фононов, оба из которых являются зависимыми от ориентации. Детальный анализ показал, что при 300 градусах Кельвина теплопроводность уменьшается по мере того, как толщина наноленты сокращается примерно от 300 нанометров до примерно 50 нм. Отношение анизотропии оставалось прежним в пределах этого диапазона толщины.
Анизотропия, обнаруженная в теплопроводности черных нанолент фосфора, показывает, что, когда эти слоистые материалы укладываются в различные формы для микроэлектронных и оптико-электронных устройств, то следует рассматривать ориентацию решетки образцов. Подобная анизотропия может быть особенно выгодной, если генерация тепла и диссипация будут играть роль в работе устройства. Например, эта зависящая от ориентации теплопроводность предоставляет исследователям возможности для разработки микроэлектронных устройств с различными ориентациями решетки для охлаждения и эксплуатации микросхем. Они могут использовать эффективное управление теплом для снижения температуры и повышения производительности чипа.
Ученые планируют использовать их экспериментальную площадку для исследования того, как теплопроводность в нанолентах черного фосфора работает при различных сценариях, таких как гетеро-интерфейсы, фазовые переходы и доменные границы. Они также хотят исследовать влияние различных физических условий, таких, как нагрузка и давление.
|
