Les scientifiques de l'Université Rice calculent que le film de bore de l'épaisseur d'un atome connu sous le nom de borophène pourrait être le premier matériau bidimensionnel pur naturellement capable d'émettre de la lumière visible et proche infrarouge en activant ses plasmons. L'équipe Rice a testé des modèles de trois polymorphes et a découvert que le borophène triangulaire, à gauche, était capable d'émettre de la lumière visible, tandis que les deux autres ont atteint le proche infrarouge. Crédit :Sharmila Shirodkar
Un film de bore de l'épaisseur d'un atome pourrait être le premier matériau bidimensionnel pur capable d'émettre de la lumière visible et proche infrarouge en activant ses plasmons, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Cela ferait du matériau connu sous le nom de borophène un candidat pour les dispositifs plasmoniques et photoniques comme les capteurs de biomolécules, guides d'ondes, collecteurs de lumière nanométriques et nanoantennes.
Les plasmons sont des excitations collectives d'électrons qui traversent la surface des métaux lorsqu'elles sont déclenchées par un apport d'énergie, comme la lumière laser. Significativement, fournir de la lumière à un matériau plasmonique dans une couleur (déterminée par la fréquence de la lumière) peut provoquer l'émission de lumière dans une autre couleur.
Les modèles du physicien théoricien Rice Boris Yakobson et ses collègues prédisent que le borophène serait le premier matériau 2-D connu à le faire naturellement, sans modif.
Les simulations du laboratoire sont détaillées dans un article de Yakobson avec les principaux auteurs Yuefei Huang, un étudiant diplômé, et Sharmila Shirodkar, un chercheur postdoctoral, dans le Journal de l'American Chemical Society .
Le bore est un semi-conducteur en trois dimensions mais un métal sous forme 2-D. Cela a incité le laboratoire à examiner son potentiel de manipulation plasmonique.
"C'était un peu anticipé, mais nous avons dû faire un travail minutieux pour le prouver et le quantifier, " dit Yakobson, dont le laboratoire prédit souvent les matériaux possibles que les expérimentateurs fabriqueront plus tard, comme le borophène ou le buckyball au bore. Avec ses collègues Evgeni Penev, professeur adjoint de recherche à Rice, et ancien élève Zhuhua Zhang, il a récemment publié un examen approfondi de l'état de la recherche sur le bore.
De gauche à droite :Yuefei Huang, Boris Yakobson et Sharmila Shirodkar. Crédit :Jeff Fitlow
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé une technique de modélisation informatique appelée théorie fonctionnelle de la densité pour tester le comportement plasmonique dans trois types de borophène autonome. La structure cristalline de base du matériau est une grille de triangles, pensez au graphène, mais avec un atome supplémentaire au milieu de chaque hexagone.
Le laboratoire a étudié des modèles de borophène ordinaire et de deux polymorphes, solides qui incorporent plus d'une structure cristalline qui se forment lorsque certains de ces atomes intermédiaires sont retirés. Leurs calculs ont montré que le borophène triangulaire avait les fréquences d'émission les plus larges, y compris la lumière visible, tandis que les deux autres ont atteint le proche infrarouge.
« Nous n'avons pas suffisamment de données expérimentales pour déterminer quels mécanismes contribuent dans quelle mesure aux pertes de ces polymorphes, mais nous anticipons et incluons la diffusion des plasmons contre les défauts et l'excitation des électrons et des trous qui conduisent à leur amortissement, " dit Shirodkar.
Les chercheurs ont déclaré que leurs résultats présentent la possibilité intéressante de manipuler des données à des longueurs d'onde de sous-diffraction.
"Si vous avez un signal optique avec une longueur d'onde qui est plus grande qu'un circuit électronique de quelques nanomètres, il y a un décalage, " dit-elle. " Maintenant, nous pouvons utiliser le signal pour exciter les plasmons dans le matériau qui emballent les mêmes informations (portées par la lumière) dans un espace beaucoup plus petit. Cela nous donne un moyen de comprimer le signal afin qu'il puisse entrer dans le circuit électronique."
"Il s'avère que c'est important parce que, Grosso modo, il peut améliorer la résolution de 100 fois, dans certains cas, " Yakobson a dit. " La résolution est limitée par la longueur d'onde. En utilisant des plasmons, vous pouvez stocker des informations ou écrire dans un matériau à une résolution beaucoup plus élevée en raison du rétrécissement de la longueur d'onde. Cela pourrait avoir de grands avantages pour le stockage de données."
Les expérimentateurs n'ont fabriqué du borophène qu'en très petites quantités jusqu'à présent et manquent de méthodes pour transférer le matériau des surfaces sur lesquelles il a poussé, dit Yakobson. Toujours, il y a beaucoup à étudier pour les scientifiques théoriques et beaucoup de progrès dans les laboratoires.
"On devrait explorer d'autres polymorphes et chercher le meilleur, " suggéra Yakobson. " Tiens, nous ne l'avons pas fait. Nous venons d'en considérer trois, parce que c'est un travail assez lourd, mais d'autres doivent être examinés avant de savoir ce qui est réalisable."
