Une nouvelle révélation expérimentale sur les nanorubans de phosphore noir devrait faciliter l'application future de ce matériau très prometteur à l'électronique, dispositifs optoélectroniques et thermoélectriques. Une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) a confirmé expérimentalement une forte anisotropie dans le plan de la conductivité thermique, jusqu'à un facteur deux, le long des directions en zigzag et fauteuil de nanorubans de phosphore noir monocristallin.

"Imaginez le réseau de phosphore noir comme un réseau bidimensionnel de boules reliées par des ressorts, dans lequel le réseau est plus doux dans une direction du plan qu'une autre, " dit Junqiao Wu, un physicien qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie (UC) Berkeley. "Notre étude montre que d'une manière similaire, le flux de chaleur dans les nanorubans de phosphore noir peut être très différent le long de différentes directions dans le plan. Cette anisotropie de conductivité thermique a été prédite récemment pour les cristaux de phosphore noir 2D par des théoriciens, mais jamais observée auparavant."

Wu est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans Communication Nature intitulé « Conduction thermique anisotrope dans le plan des nanorubans de phosphore noir à des températures supérieures à 100K ». Les auteurs principaux sont Sangwook Lee et Fan Yang. (Voir ci-dessous pour une liste complète des auteurs)

phosphore noir, nommé pour sa couleur distinctive, est un semi-conducteur naturel avec une bande interdite énergétique qui permet d'activer et de désactiver sa conductance électrique. Il a été théorisé que contrairement au graphène, le phosphore noir a une anisotropie opposée dans les conductivités thermique et électrique - c'est-à-dire, la chaleur circule plus facilement dans une direction où l'électricité circule plus difficilement. Une telle anisotropie serait un coup de pouce pour la conception de transistors et de dispositifs thermoélectriques économes en énergie, mais la confirmation expérimentale s'est avérée difficile en raison des exigences de préparation et de mesure des échantillons.

"Nous avons fabriqué des nanorubans de phosphore noir dans une approche descendante en utilisant la lithographie, puis utilisé des dispositifs à micro-tampon suspendus pour isoler thermiquement les nanorubans de l'environnement afin que le gradient de température et la conduction thermique le long d'un seul nanoruban puissent être déterminés avec précision, ", explique Wu. "Nous avons également fait un effort supplémentaire pour concevoir l'interface entre le nanoruban et les électrodes de contact afin de garantir des résistances de contact thermiques et électriques négligeables, ce qui est essentiel pour ce type d'expérience.

Les résultats de l'étude, qui a été réalisée à la Fonderie Moléculaire, une installation d'utilisateurs DOE Office Science hébergée par Berkeley Lab, a révélé une anisotropie directionnelle élevée de la conductivité thermique à des températures supérieures à 100 Kelvin. Cette anisotropie a été attribuée principalement à la dispersion des phonons avec une certaine contribution du taux de diffusion phonon-phonon, les deux sont dépendants de l'orientation. Une analyse détaillée a révélé qu'à 300 Kelvin, la conductivité thermique diminuait à mesure que l'épaisseur du nanoruban diminuait d'environ 300 nanomètres à environ 50 nanomètres. Le rapport d'anisotropie est resté à un facteur de deux dans cette gamme d'épaisseur.

« L'anisotropie que nous avons découverte dans la conductivité thermique des nanorubans de phosphore noir indique que lorsque ces matériaux en couches sont modelés en différentes formes pour les dispositifs microélectroniques et optoélectroniques, l'orientation du réseau des motifs doit être prise en compte, " dit Wu. " Cette anisotropie peut être particulièrement avantageuse si la génération et la dissipation de chaleur jouent un rôle dans le fonctionnement de l'appareil. Par exemple, ces conductivités thermiques dépendantes de l'orientation nous donnent la possibilité de concevoir des dispositifs microélectroniques avec différentes orientations de réseau pour le refroidissement et le fonctionnement des micropuces. Nous pourrions utiliser une gestion thermique efficace pour réduire la température de la puce et améliorer ses performances. »

Wu et ses collègues prévoient d'utiliser leur plate-forme expérimentale pour étudier comment la conductivité thermique dans les nanorubans de phosphore noir est affectée dans différents scénarios, comme les hétéro-interfaces, transitions de phase et limites de domaine. Ils veulent également explorer les effets de diverses conditions physiques telles que le stress et la pression.