Borophen glänzt schon alleine als 2-D plasmonisches Material
Ein dünner Atomfilm aus Bor könnte das erste reine zweidimensionale Material sein, das in der Lage ist, sichtbares und nahes Infrarotlicht durch Aktivierung seiner Plasmonen zu emittieren, so die Wissenschaftler der Rice University.
Wissenschaftler der Rice University berechnen, dass der atomdicke Borfilm, bekannt als Borophen, das erste reine zweidimensionale Material sein könnte, das auf natürliche Weise in der Lage ist, sichtbares und nahes Infrarotlicht durch Aktivierung seiner Plasmonen zu emittieren. Das Rice Team testete Modelle von drei Polymorphen und fand heraus, dass dreieckiges Borophen links in der Lage war, sichtbares Licht zu emittieren, während die anderen beiden im nahen Infrarotbereich leuchteten.
Sharmila Shirodkar/Rice University
Damit wäre das Material bekannt als Borophen ein Kandidat für plasmonische und photonische Bauelemente wie Biomolekül-Sensoren, Wellenleiter, nanoskalige Lichterntemaschinen und Nanoantennen.
Plasmonen sind kollektive Anregungen von Elektronen, die über die Oberfläche von Metallen fließen, wenn sie durch einen Energieeintrag ausgelöst werden, wie z.B. Laserlicht. Bedeutsam ist, dass die Abgabe von Licht an ein plasmonisches Material in einer Farbe (bestimmt durch die Frequenz des Lichts) die Emission von Licht in einer anderen Farbe auslösen kann.
Modelle des theoretischen Physikers Boris Yakobson und seiner Kollegen sagen voraus, dass Borophen das erste bekannte 2-D-Material wäre, das dies auf natürliche Weise und ohne Modifikation tun würde.
Bor ist ein Halbleiter in drei Dimensionen, aber ein Metall in zweidimensionaler Form. Dies veranlasste das Labor, einen Blick auf sein Potenzial für plasmonische Manipulationen zu werfen.
"Dieses war ein bisschen vorweggenommen, aber wir mussten sorgfältige Arbeit verrichten, um es zu prüfen und zu quantifizieren," sagte Yakobson, dessen Labor häufig mögliche Materialien voraussagt, die Experimentatoren später synthetisierten, wie zum Beispiel Borophen oder den Bor-Buckyball.
In der neuen Studie benutzten die Forscher die Dichtefunktionaltheorie, um die Kristallstruktur des Materials zu ermitteln. Sie besteht aus einem Gitter von Dreiecken - man denke an Graphen, aber mit einem zusätzlichen Atom in der Mitte jedes Sechsecks.
Das Labor untersuchte Modelle von einfachem Borophen und zwei Polymorphen, Feststoffe, die mehr als eine kristalline Struktur enthalten, die gebildet werden, wenn einige dieser mittleren Atome entfernt werden. Ihre Berechnungen zeigten, dass dreieckiges Borophen die breitesten Emissionsfrequenzen, einschließlich des sichtbaren Lichts, hatte, während die anderen zwei nahes Infrarot erreichten.
"Wir haben nicht genügend experimentelle Daten, um festzustellen, welche Mechanismen wie viel zu den Verlusten in diesen Polymorphen beitragen, aber wir nehmen vorweg und schließen die Streuung von Plasmonen gegen Defekte und die Anregung von Elektronen und Löchern ein, die zu ihrer Dämpfung führen", sagte Shirodkar.
Die Forscher sagten, dass ihre Ergebnisse die interessante Möglichkeit der Manipulation von Daten bei Subdiffraktionswellenlängen darstellen.
"Wenn man ein optisches Signal mit einer Wellenlänge hat, die größer ist als eine elektronische Schaltung von wenigen Nanometern, dann gibt es eine Diskrepanz", sagte sie. "Jetzt können wir das Signal nutzen, um Plasmonen in dem Material zu erregen, die die gleiche Information (vom Licht getragen) in einen viel kleineren Raum packen. Es gibt uns eine Möglichkeit, das Signal zu quetschen, so dass es in den elektronischen Schaltkreis gelangen kann."
"Es stellt sich heraus, dass das wichtig ist, weil es, grob gesagt, die Auflösungen in einigen Fällen um das 100-fache verbessern kann", sagte Yakobson. "Die Auflösung wird durch die Wellenlänge begrenzt. Durch die Verwendung von Plasmonen können Sie Informationen speichern oder in ein Material mit einer viel höheren Auflösung schreiben, da die Wellenlänge schrumpft. Das könnte große Vorteile für die Datenspeicherung haben."
Experimentelle Wissenschaftler haben Borophen nur in sehr kleinen Mengen hergestellt und es fehlen Methoden, um das Material von den Oberflächen zu übertragen, auf denen es gewachsen ist, sagte Yakobson. Dennoch gibt es viel für theoretische Wissenschaftler zu erforschen und sehr viele Fortschritte in den Laboratorien.
"Man sollte andere Polymorphe erforschen und nach dem besten suchen", schlug Yakobson vor. "Hier, haben es nicht getan. Wir haben gerade drei in Betracht gezogen, weil es ziemlich aufwändig ist - aber andere müssen überprüft werden, bevor wir wissen, was machbar ist."
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