Des chercheurs de l'Université de l'Arkansas ont étudié les caractéristiques optiques d'un type spécial de matériau constitué d'une seule couche d'atomes de phosphore au profit de la détection et de l'interaction avec la lumière infrarouge, qui est invisible non seulement à l'œil humain mais à de nombreux autres matériaux proposés pour une utilisation dans les systèmes optoélectroniques.
De tels systèmes s'efforcent d'utiliser la lumière aux côtés des électrons pour accélérer le traitement et réduire le chauffage et d'autres gaspillages d'énergie dans notre pléthore toujours croissante d'appareils informatiques.
Le groupe de chercheurs du Département de physique a publié ses conclusions dans un récent numéro de Rapports scientifiques , une revue des éditeurs de Nature, aider à faire progresser la compréhension du phosphore noir en tant que matériau optiquement utile. Le doctorant en physique Desalegn Debu a été le premier auteur de ce travail théorique et informatique intitulé Tuning Infrared Plasmon Resonance of Black Phosphorene Nanoribbon with a Dielectric Interface. D'autres auteurs incluent Stephen Bauman et David French, étudiants diplômés de l'Université de l'Arkansas; et Hugh Churchill et Joseph Herzog, professeurs adjoints au Département de physique.
Semblable à une éclaboussure de galets provoquant le déplacement des vagues à la surface d'un étang, la lumière qui brille sur un matériau plasmonique fait que les électrons se déplacent d'avant en arrière sur la surface. Cette vague d'électrons, connu sous le nom de plasmon, peut être accordé comme un instrument de musique pour osciller le plus fortement pour certaines fréquences (couleurs) de lumière, ce qui les rend utiles pour des applications couvrant une grande partie du spectre des signaux visibles et invisibles. L'accord est la clé de l'utilisation de matériaux plasmoniques pour des applications spécifiques, tout comme l'accord d'un instrument de musique est essentiel pour créer la note désirée.
Matériaux bidimensionnels tels que le graphène, une feuille de carbone avec une épaisseur d'un seul atome, ont connu beaucoup de battage médiatique dans le monde scientifique au cours de la dernière décennie. Ils offrent la possibilité de réduire la taille de divers composants optoélectroniques jusqu'à l'épaisseur d'un seul atome tout en profitant de propriétés physiques uniques. Alors que le graphène a été le « enfant d'affiche » des matériaux 2D et qu'il peut encore être prometteur pour l'amélioration de l'électronique, force matérielle, ou technologie basée sur la lumière, ce n'est pas parfait. Le graphène manque de ce qu'on appelle une bande interdite, une propriété déterminante des semi-conducteurs. Cette limitation du graphène est contournée en examinant d'autres matériaux qui offrent une structure supérieure, électrique, thermique, ou des propriétés optiques. phosphore noir, qui a une structure ondulée d'atomes de phosphore avec deux directions cristallines différentes, offre des avantages uniques par rapport aux autres options étudiées précédemment.
L'étude réalisée par Debu et ses collègues étudie les effets théoriques de la modification des propriétés des matériaux dans la zone entourant une feuille de phosphore noir. Les résultats démontrent que la longueur d'onde de la lumière absorbée par le matériau peut être ajustée en changeant le matériau environnant. L'étude a également fait progresser la compréhension de la nature plasmonique de ce matériau lorsqu'il est modelé en rubans nanométriques de différentes largeurs. Combinant les paramètres de réglage de la largeur du nanoruban et des médias environnants, le phosphore noir peut devenir un matériau très utile pour les applications impliquant la lumière infrarouge. Un avantage supplémentaire du phosphore noir est que ses deux directions cristallines différentes permettent à la lumière d'interagir différemment avec les électrons à la surface en fonction de l'orientation des ondes lumineuses utilisées dans l'application.
