Des feuilles atomiques uniques de phosphore noir attirent l'attention pour leur potentiel dans les futures applications électroniques. Les chercheurs d'A*STAR ont maintenant terminé des expériences à l'échelle nanométrique pour percer le secret des remarquables propriétés directionnelles de transport de chaleur de ce matériau.

Le phosphore noir a une structure atomique en nid d'abeilles en couches qui lui confère des propriétés physiques et électroniques exotiques. Son treillis en nid d'abeille n'est pas plan, mais froissé, et ses propriétés physiques diffèrent selon qu'elles sont mesurées en travers ou le long des rides. Chaleur, par exemple, est transporté environ deux fois plus vite dans le sens des rides ou « zigzag » qu'à travers les rides, ou la direction 'fauteuil'. Jing Wu et ses collègues de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR ont utilisé leurs installations expérimentales de pointe pour découvrir la raison de ce statut très inhabituel.

"La forte anisotropie du transport de chaleur dans le phosphore noir a été théoriquement attribuée à la dispersion ou à la relaxation des vibrations du réseau connues sous le nom de phonons, mais l'origine exacte n'était pas claire, " dit Wu. " Comprendre ce mécanisme pourrait nous aider à mieux contrôler le flux de chaleur dans les dispositifs nanoélectroniques, ce qui serait très utile dans la conception des puces pour une meilleure dissipation de la chaleur."

L'équipe est partie du principe que la vitesse de déplacement des phonons est équivalente à la vitesse du son dans un matériau, qui à son tour a une relation bien définie avec la rigidité du matériau. Ils ont utilisé leur expertise dans les mesures de matériaux de haute précision pour mettre en place une expérience qui leur a permis de mesurer à la fois le transport de chaleur et la rigidité dans le même système, en utilisant des nanorubans de phosphore noir avec une orientation en zigzag ou en fauteuil.

« Évaluer le transport de chaleur et la rigidité des nanorubans était très difficile, " dit Wu. "Nous avons fabriqué deux orientations de nanorubans en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons sur un film mince de phosphore noir. Nous avons ensuite récupéré les nanorubans à l'aide de nano-manipulateurs sous un microscope électronique à balayage, et les a transférés dans notre système micro-électrothermique construit en laboratoire où ils ont été testés à l'aide d'un microscope à force atomique. Ce sont des techniques que nous développons et utilisons depuis plus de huit ans."

Ces mesures expérimentales ont confirmé un lien physique entre le transport thermique et une mesure de raideur, connu sous le nom de module de Young, fournissant les premières informations directes sur l'origine de l'anisotropie du transport des phonons dans le phosphore noir.

"Le rapport de conductivité thermique entre les nanorubans en zigzag et en fauteuil est presque identique au rapport des valeurs de module de Young correspondantes, " dit Wu, "et correspond à la relation théorisée par les calculs des premiers principes."