Phosphane bidimensionnel, un matériau connu sous le nom de phosphorène, a une application potentielle en tant que matériau pour les transistors semi-conducteurs dans des ordinateurs toujours plus rapides et plus puissants. Mais il y a un hic. Bon nombre des propriétés utiles de ce matériau, comme sa capacité à conduire les électrons, sont anisotropes, ce qui signifie qu'ils varient en fonction de l'orientation du cristal. Maintenant, une équipe comprenant des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) a développé une nouvelle méthode pour déterminer rapidement et avec précision cette orientation en utilisant les interactions entre la lumière et les électrons au sein du phosphorène et d'autres cristaux de phosphore noir de l'épaisseur des atomes.

Le phosphorène, une couche unique d'atomes de phosphore, a été isolé pour la première fois en 2014, permettant aux physiciens de commencer à explorer ses propriétés expérimentalement et théoriquement. Vincent Meunier, chef du département de physique de Rensselaer, Physique appliquée, et l'astronomie et un chef de l'équipe qui a développé la nouvelle méthode, a publié son premier article sur le matériau, confirmant la structure du phosphorène, la même année.

"C'est un matériau vraiment intéressant parce que, selon la direction dans laquelle vous faites les choses, vous avez des propriétés complètement différentes, " dit Meunier, membre du Rensselaer Center for Materials, Dispositifs, et systèmes intégrés (cMDIS). "Mais parce que c'est un matériau si nouveau, il est essentiel que nous commencions à comprendre et à prédire ses propriétés intrinsèques."

Meunier et les chercheurs de Rensselaer ont contribué à la modélisation théorique et à la prédiction des propriétés du phosphorène, en s'appuyant sur le supercalculateur Rensselaer, le Center for Computational Innovations (CCI), pour effectuer des calculs. Par le biais du cMDIS Rensselaer, Meunier et son équipe sont capables de développer le potentiel de nouveaux matériaux tels que le phosphorène pour servir dans les futures générations d'ordinateurs et d'autres appareils. La recherche de Meunier illustre le travail effectué à la Nouvelle Polytechnique, relever des défis mondiaux difficiles et complexes, la nécessité d'une collaboration interdisciplinaire et véritable, et l'utilisation des derniers outils et technologies, dont beaucoup sont développés à Rensselaer.

Dans leurs recherches, qui apparaît dans ACS Lettres nano , l'équipe a initialement entrepris d'affiner une technique existante pour déterminer l'orientation du cristal. Cette technique, qui profite de la spectroscopie Raman, utilise un laser pour mesurer les vibrations des atomes dans le cristal lorsque l'énergie le traverse, causée par les interactions électron-phonon. Comme d'autres interactions, les interactions électron-phonon au sein des cristaux de phosphore noir à épaisseur d'atomes sont anisotropes et, une fois mesuré, ont été utilisées pour prédire l'orientation du cristal.

En examinant leurs premiers résultats de spectroscopie Raman, l'équipe a remarqué plusieurs incohérences. Pour aller plus loin, ils ont obtenu des images réelles de l'orientation de leurs échantillons de cristaux en utilisant la microscopie électronique à transmission (MET), puis les a comparés avec les résultats de la spectroscopie Raman. En tant que technique topographique, La MET offre une détermination définitive de l'orientation du cristal, mais n'est pas aussi facile à obtenir que les résultats Raman. La comparaison a révélé que les interactions électron-phonon à elles seules ne permettaient pas de prédire avec précision l'orientation du cristal. Et la raison pour laquelle a ouvert la voie à une autre anisotropie du phosphorène, celle des interactions entre les photons de lumière et les électrons dans le cristal.

"Dans Raman, vous utilisez un laser pour transmettre de l'énergie au matériau, et il se met à vibrer de manière intrinsèque au matériau, et qui, au phosphore, sont anisotropes, " dit Meunier. " Mais il s'avère que si vous faites briller la lumière dans des directions différentes, vous obtenez des résultats différents, parce que l'interaction entre la lumière et les électrons dans le matériau - l'interaction électron-photon - est également anisotrope, mais d'une manière non proportionnelle."

Meunier a déclaré que l'équipe avait des raisons de croire que le phosphorène était anisotrope en ce qui concerne les interactions électron-photon, mais n'avait pas prévu l'importance de la propriété.

"Habituellement, l'anisotropie électron-photon ne fait pas une si grande différence, mais ici, parce que nous avons une chimie si particulière à la surface et une anisotropie si forte, c'est un de ces matériaux où ça fait une énorme différence, ", a déclaré Meunier.

Bien que la découverte ait révélé une faille dans les interprétations des spectres Raman reposant sur les interactions électron-phonon, il a également révélé que les interactions électron-photon permettent à elles seules une détermination précise de l'orientation du cristal.

"Il s'avère qu'il n'est pas si facile d'utiliser les vibrations Raman pour trouver la direction du cristal, " dit Meunier. " Mais, et c'est la belle chose, ce que nous avons trouvé, c'est que l'interaction électron-photon (qui peut être mesurée en enregistrant la quantité de lumière absorbée) - l'interaction entre les électrons et le laser - est un bon prédicteur de la direction. Maintenant, vous pouvez vraiment prédire comment le matériau se comportera en fonction de l'excitation avec un stimulus extérieur."