Eendimensionale rode fosfor gloeit op onverwachte manieren

Wanneer elektronen in zeer kleine ruimtes worden opgesloten, kunnen ze ongebruikelijk elektrisch, optisch en magnetisch gedrag vertonen. Deze brede onderzoekslijn verandert het landschap van fundamenteel onderzoek en technologische vooruitgang in natuurkunde, scheikunde, energie oogsten, informatie en meer.

In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie, heeft een internationaal team onder leiding van onderzoekers van Aalto University nu ontdekt dat vezelig rood fosfor, wanneer elektronen zijn opgesloten in zijn eendimensionale subeenheden, grote optische reacties kan vertonen – dat wil zeggen, het materiaal vertoont sterke fotoluminescentie onder lichte bestraling. Rode fosfor behoort, net als grafeen, tot een unieke groep materialen die eendimensionale van der Waals (1D vdW) materialen worden genoemd. Een 1D vdW-materiaal is een radicaal nieuw type materiaal dat pas in 2017 werd ontdekt. ​​Tot nu toe was het onderzoek naar 1vdW-materialen gericht op elektrische eigenschappen.

Het team ontdekte de optische eigenschappen van 1D vdW vezelachtige rode fosfor door middel van metingen zoals fotoluminescentiespectroscopie, waarbij ze laserlicht op de monsters schenen en de kleur en helderheid van het teruggestraalde licht maten. De bevindingen tonen aan dat het 1D vdW-materiaal gigantische anisotrope lineaire en niet-lineaire optische reacties vertoont – met andere woorden, de optische reacties zijn sterk afhankelijk van de oriëntatie van het vezelachtige fosforkristal – evenals de emissie-intensiteit, die betrekking heeft op het aantal uitgezonden fotonen gedurende een bepaalde tijd.

“De manier waarop het in de experimenten reageerde, maakt 1D vdW vezelachtige rode fosfor tot een echt opwindend materiaal. Het vertoont bijvoorbeeld zowel gigantische anisotrope lineaire en niet-lineaire reacties als emissie-intensiteit, wat opvallend is”, zegt Dr. Luojun Du, een postdoctoraal onderzoeker aan de Aalto University.

De fotoluminescentie van het materiaal – het effect dat in het dagelijks leven vaak wordt gezien in reflecterende tekens of glow-in-the-dark-speelgoed voor kinderen, wanneer licht wordt uitgestraald na absorptie – verraste de onderzoekers ook. Het team vergeleek de fotoluminescentie van vezelige rode fosfor met monolaag molybdeendisulfide (MoS2), dat bekend staat om zijn sterke fotoluminescentie, en ontdekte dat de intensiteit van de fotoluminescentie meer dan 40 keer intenser was, waardoor het ultrahelder – zij het erg kort.

“De sterke fotoluminescentie van vezelige rode fosfor is onverwacht. In feite hadden we aanvankelijk verwacht dat de fotoluminescentie van vezelige rode fosfor slechts zwak zou zijn. Op basis van theoretische berekeningen zou dit effect eigenlijk niet sterk moeten zijn, dus we doen nu meer experimenten om de oorsprong van zijn nagloed te verduidelijken”, zegt Du.

“Ik geloof dat eendimensionale Van der Waals-materialen zoals vezelige rode fosfor een echte belofte zijn voor displays en andere toepassingen, die afhankelijk zijn van materialen die precies het gedrag vertonen dat we in dit onderzoek hebben gezien. Het spectrum van zijn anisotrope optische respons lijkt ook heel breed zijn als we het vergelijken met reacties van conventionele materialen”, zegt professor Zhipei Sun, die de groep achter het onderzoek leidt.

De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 10 augustus 2021.