I ricercatori hanno utilizzato le eccezionali strutture di Micronova Nanofabrication Cleanroom. Credito: Mikko Raskinen/Università di Aalto
Nuovo studio pubblicato in Nature Communications è il primo a mostrare forti proprietà ottiche in un materiale van der Waal 1D.
Quando gli elettroni sono confinati in spazi molto piccoli, possono mostrare un comportamento elettrico, ottico e magnetico insolito. Da elettroni confinanti in fogli atomici bidimensionali grafene – un'impresa che ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2010 – di limitare ulteriormente gli elettroni per raggiungere l'unidimensionalità, questa ampia linea di ricerca sta trasformando il panorama della ricerca fondamentale e dei progressi tecnologici in fisica, chimica, raccolta di energia, informazione e oltre .
In uno studio pubblicato Nature Communications, un team internazionale guidato dai ricercatori dell'Università di Aalto ha ora scoperto che il fosforo rosso fibroso, quando gli elettroni sono confinati nelle sue sottounità unidimensionali, può mostrare grandi risposte ottiche, ovvero il materiale mostra una forte fotoluminescenza sotto irraggiamento luminoso. Il fosforo rosso, come il grafene, appartiene a un gruppo unico di materiali chiamati materiali unidimensionali di van der Waals (1D vdW). Un materiale 1D vdW è un tipo di materiale radicalmente nuovo che è stato scoperto solo nel 2017. Finora, la ricerca sui materiali 1vdW si è concentrata sulle proprietà elettriche.
Il team ha scoperto le proprietà ottiche del fosforo rosso fibroso 1D vdW attraverso misurazioni come la spettroscopia di fotoluminescenza, in cui hanno irradiato luce laser sui campioni e misurato il colore e la luminosità della luce emessa. I risultati mostrano che il materiale 1D vdW dimostra gigantesche risposte ottiche anisotropiche lineari e non lineari - in altre parole, le risposte ottiche dipendono fortemente dall'orientamento del cristallo di fosforo fibroso - nonché dall'intensità di emissione, che si riferisce al numero di fotoni emessi durante un tempo specifico.
"Il modo in cui ha risposto agli esperimenti rende il fosforo rosso fibroso 1D vdW un materiale davvero eccitante. Ad esempio, mostra sia gigantesche risposte anisotropiche lineari e non lineari sia l'intensità delle emissioni, il che è sorprendente", afferma il dottor Luojun Du, ricercatore post-dottorato presso l'Università di Aalto.
Anche la fotoluminescenza del materiale, l'effetto che si vede comunemente nella vita di tutti i giorni nei segni riflettenti o nei giocattoli che si illuminano al buio dei bambini, quando la luce viene emessa dopo l'assorbimento, ha colpito di sorpresa i ricercatori. Il team ha confrontato la fotoluminescenza del fosforo rosso fibroso con il disolfuro di molibdeno monostrato (MoS2), noto per la sua forte fotoluminescenza, e ha scoperto che l'intensità della fotoluminescenza era più di 40 volte più intensa, rendendola ultra luminosa, anche se molto brevemente.
"La forte fotoluminescenza del fosforo rosso fibroso è inaspettata. In effetti, inizialmente ci aspettavamo che la fotoluminescenza del fosforo rosso fibroso fosse solo debole. Sulla base di calcoli teorici, questo effetto in realtà non dovrebbe essere forte, quindi ora stiamo facendo più esperimenti per chiarire l'origine del suo bagliore residuo", afferma Du.
"Credo che i materiali van der Waals unidimensionali come il fosforo rosso fibroso mostrino una vera promessa per display e altre applicazioni, che si basano su materiali che dimostrano esattamente i comportamenti che abbiamo visto in questo studio. Anche lo spettro della sua risposta ottica anisotropa sembra essere molto ampio se lo confrontiamo con le risposte dei materiali convenzionali', afferma il professor Zhipei Sun, che guida il gruppo dietro lo studio.
Riferimento: "Giant anisotropic photonics in the 1D van der Waals semiconductor fibrous red phosphorus" di 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 e Zhipei Sun, 10 agosto 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-25104-6
