Les chercheurs ont utilisé les installations exceptionnelles de Micronova Nanofabrication Cleanroom. Crédit : Mikko Raskinen/Université Aalto
Nouvelle étude publiée dans Communications Nature est le premier à montrer de fortes propriétés optiques dans un matériau van der Waal 1D.
Lorsque les électrons sont confinés dans de très petits espaces, ils peuvent présenter un comportement électrique, optique et magnétique inhabituel. Du confinement des électrons dans une nappe atomique bidimensionnelle graphène - un exploit qui a remporté le prix Nobel de physique en 2010 - à restreindre encore plus les électrons pour atteindre l'unidimensionnalité, cette vaste ligne de recherche transforme le paysage de la recherche fondamentale et des avancées technologiques en physique, chimie, récupération d'énergie, information et au-delà .
Dans une étude publiée dans Communications Nature, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Université Aalto a maintenant découvert que le phosphore rouge fibreux, lorsque les électrons sont confinés dans ses sous-unités unidimensionnelles, peut montrer de grandes réponses optiques - c'est-à-dire que le matériau présente une forte photoluminescence sous irradiation lumineuse. Le phosphore rouge, comme le graphène, appartient à un groupe unique de matériaux appelés matériaux unidimensionnels de van der Waals (1D vdW). Un matériau vdW 1D est un type de matériau radicalement nouveau qui n'a été découvert qu'en 2017. Jusqu'à présent, la recherche sur les matériaux 1vdW s'est concentrée sur les propriétés électriques.
L'équipe a découvert les propriétés optiques du phosphore rouge fibreux 1D vdW grâce à des mesures telles que la spectroscopie de photoluminescence, où ils ont fait briller la lumière laser sur les échantillons et mesuré la couleur et la luminosité de la lumière émise en retour. Les résultats montrent que le matériau vdW 1D présente des réponses optiques linéaires et non linéaires anisotropes géantes - en d'autres termes, les réponses optiques dépendent fortement de l'orientation du cristal de phosphore fibreux - ainsi que de l'intensité d'émission, qui est liée au nombre de photons émis pendant un temps précis.
«La façon dont il a réagi dans les expériences fait du phosphore rouge fibreux 1D vdW un matériau vraiment passionnant. Par exemple, il montre à la fois des réponses linéaires et non linéaires anisotropes géantes ainsi que l'intensité des émissions, ce qui est frappant», déclare le Dr Luojun Du, chercheur postdoctoral à l'université Aalto.
La photoluminescence du matériau - l'effet couramment observé dans la vie quotidienne dans les panneaux réfléchissants ou les jouets pour enfants qui brillent dans le noir, lorsque la lumière est émise après absorption - a également surpris les chercheurs. L'équipe a comparé la photoluminescence du phosphore rouge fibreux avec le disulfure de molybdène monocouche (MoS2), qui est bien connu pour sa forte photoluminescence, et a constaté que l'intensité de la photoluminescence était plus de 40 fois plus intense, ce qui la rend ultra-brillante - quoique très brièvement.
« La forte photoluminescence du phosphore rouge fibreux est inattendue. En fait, nous nous attendions initialement à ce que la photoluminescence du phosphore rouge fibreux ne soit que faible. D'après des calculs théoriques, cet effet ne devrait en fait pas être fort, nous faisons donc maintenant plus d'expériences pour clarifier l'origine de sa post-luminescence», explique Du.
«Je crois que les matériaux unidimensionnels de van der Waals comme le phosphore rouge fibreux sont très prometteurs pour les écrans et autres applications, qui reposent sur des matériaux qui démontrent exactement les comportements que nous avons observés dans cette étude. Le spectre de sa réponse optique anisotrope semble également être très large si nous le comparons aux réponses des matériaux conventionnels», déclare le professeur Zhipei Sun, qui dirige le groupe à l'origine de l'étude.
Référence : "Giant anisotropic photonics in the 1D van der Waals semiconductor fibrous red phosphorus" par Luojun Du, Yanchong Zhao, Linlu Wu, Xuerong Hu, Lide Yao, Yadong Wang, Xueyin Bai, Yunyun Dai, Jingsi Qiao, Md Gius Uddin, Xiaomei Li, Jouko Lahtinen, Xuedong Bai, Guangyu Zhang, Wei Ji et Zhipei Sun, 10 août 2021, Communications Nature.
DOI: 10.1038/s41467-021-25104-6
