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» » ¿Es el fósforo negro el siguiente gran material?


Referencia: Phys.org, 16 de octubre 2015
"Is black phosphorous the next big thing in materials?"
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Una nueva revelación experimental sobre las nanocintas fósforo negro podría facilitar la futura aplicación de este material altamente prometedor para dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y termoeléctricos. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha confirmado experimentalmente una fuerte anisotropía en el plano de la conductividad térmica, hasta un factor de dos, a lo largo de las direcciones en zigzag y de fuera, de una sola nanocinta de cristal de fósforo negro.

Investigadores de Berkeley Lab han confirmado experimentalmente una fuerte anisotropía en la conductividad térmica a lo largo de nanocintas de un solo cristal de fósforo negro. Crédito: Junqiao Wu, Laboratorio de Berkeley
"Imagínese la red de fósforo negro como una red bidimensional de bolas conectadas con muelles, lo que hace que la red sea más suave a lo largo de una dirección del plano que en otro," apunta Junqiao Wu, físico de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y la Universidad de California (UC). "Nuestro estudio muestra que en un flujo de calor de forma similar en los nanocintas de fósforo negro puede ser muy diferente a lo largo de las diferentes direcciones del plano. Pues esta conductividad térmica anisotrópica se había pronosticado para los cristales de fósforo negro 2D por los teóricos, pero nunca antes se había observado."

El fósforo negro, llamado así por su color distintivo, es un semiconductor natural con una brecha energética que permite a su conductancia eléctrica poder conmutarse en "encendido y apagado." 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. Esta anisotropía sería un impulso para el diseño de transistores de bajo consumo y dispositivos termoeléctricos, pero su confirmación experimental resultó difícil dado los requisitos de preparación de muestras y medición.

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Wu is the corresponding author of a paper describing this research in Nature Communications titled "Anisotropic in-plane thermal conductivity of black phosphorus nanoribbons at temperatures higher than 100K." The lead authors are Sangwook Lee and Fan Yang. (See below for a complete list of authors)

"We fabricated black phosphorous nanoribbons in a top-down approach using lithography, then utilized suspended micro-pad devices to thermally isolate the nanoribbons from the environment so that tiny temperature gradient and thermal conduction along a single nanoribbon could be accurately determined," Wu says. "We also went the extra mile to engineer the interface between the nanoribbon and the contact electrodes to ensure negligible thermal and electrical contact resistances, which is essential for this type of experiment."

The results of the study, which was carried out at the Molecular Foundry, a DOE Office Science User Facility hosted by Berkeley Lab, revealed high directional anisotropy in thermal conductivity at temperatures greater than 100 Kelvin. This anisotropy was attributed mainly to phonon dispersion with some contribution from phonon-phonon scattering rate, both of which are orientation-dependent. Detailed analysis revealed that at 300 Kelvin, thermal conductivity decreased as the thickness of the nanoribbon thickness shrank from approximately 300 nanometers to approximately 50 nanometers. The anisotropy ratio remained at a factor of two within this thickness range.

"The anisotropy we discovered in the thermal conductivity of black phosphorous nanoribbons indicates that when these layered materials are patterned into different shapes for microelectronic and optoelectronic devices, the lattice orientation of the patterns should be considered," Wu says. "This anisotropy can be especially advantageous if heat generation and dissipation play a role in the device operation. For example, these orientation-dependent thermal conductivities give us opportunities to design microelectronic devices with different lattice orientations for cooling and operating microchips. We could use efficient thermal management to reduce chip temperature and enhance chip performance."

Wu and his colleagues plan to use their experimental platform to investigate how thermal conductivity in black phosphorous nanoribbons is affected under different scenarios, such as hetero-interfaces, phase-transitions and domain boundaries. They also want to explore the effects of various physical conditions such as stress and pressure.

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Imagen: Berkeley Lab researchers have experimentally confirmed strong in-plane anisotropy in thermal conductivity along the zigzag (ZZ) and armchair (AC) directions of single-crystal black phosphorous nanoribbons. Credit: Junqiao Wu, Berkeley Lab
Journal: Nature Communications.
Fuente: Lawrence Berkeley National Laboratory

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