Punaisen fosforin hohde yllätti tutkijat

Kun elektronit eristetään hyvin pieniin tiloihin, niissä voi olla epätavanomaista sähköistä, optista ja magneettista toimintaa. Aalto-yliopiston johtaman kansainvälisen ryhmän tutkijat ovat nyt todenneet, että punaisessa fosforissa on merkittäviä optisia reaktioita. Punainen fosfori kuuluu hiljattain vuonna 2017 löydettyyn materiaaliryhmään, jota kutsutaan yksiulotteiseksi van der Waals (1D vdW) -materiaaliksi.

Tähän asti 1D vdW -materiaalien tutkimus on keskittynyt niiden sähköisiin ominaisuuksiin. Nyt tutkimustulokset kuitenkin osoittavat, että punaisessa fosforissa esiintyy myös voimakasta anisotropiaa eli valon taitekertoimen riippumista materiaalin suuntauksesta. Tutkimustulokset on julkaistu Nature Communications -lehdessä 10. elokuuta 2021.

Professori Zhipei Sunin johtama tutkimusryhmä osoitti punaisen fosforin optiset ominaisuudet mittauksissa, joissa näytteisiin heijastettiin laservaloa ja takaisin heijastuneen valon väri ja kirkkaus arvioitiin. Tutkijat huomasivat materiaalin lineaarisen ja epälineaarisen optisen vasteen riippuvan vahvasti kuituisen fosforikristallin suuntauksesta. Lisäksi he havaitsivat materiaalin vahvan fotoluminesenssin.

”Tapa, jolla se reagoi kokeissa, tekee 1D vdW punaisesta fosforista todella jännittävän materiaalin. Lisäksi säteilyn intensiteetti on hämmästyttävä”, Aalto-yliopiston tutkijatohtori Luojun Du sanoo.

Fotoluminenssi on ilmiö, joka esiintyy esimerkiksi heijastavissa kylteissä tai lasten pimeässä hohtavissa leluissa, kun valo säteilee atomin purkautuessa. Tutkimusryhmä vertasi keskenään punaisen fosforin ja vahvasta fotoluminesenssistään tunnetun yksitasoisen molybdeenidisulfidin (MoS2) fotoluminesenssiä. Tutkijat totesivat, että fosforin intensiteetti oli yli 40-kertainen, mikä tekee siitä ultrakirkkaan – vaikkakin vain hetkeksi.

”Vahva fotoluminesenssi yllätti meidät, kun ensisijaisesti odotimme, että se olisi melko heikkoa. Teoreettisten laskelmien mukaan tämän ilmiön ei pitäisi olla näin vahva, joten olemme nyt tekemässä lisää kokeita selvittääksemme jälkihehkun alkulähteen”, Du kertoo.

”Uskon, että yksiulotteiset van der Waals -materiaalit, kuten kuituinen punainen fosfori, ovat lupaavia esimerkiksi tietokoneiden näyttöjen ja muiden materiaalin kanssa, joilla on juuri niitä ominaisuuksia, joita olemme tässä tutkimuksessa nähneet. Sen anisotrooppisen optisen reaktion kirjo vaikuttaa lisäksi olevan hyvin laaja, jos vertaamme sitä tavanomaisten materiaalien reaktioihin”, professori Zhipei Sun sanoo.

Aalto-yliopiston tutkijaryhmän tavoitteena on tutkia tulevaisuudessa uutta elektronien materiaalikokonaisuutta muutenkin kuin sähkönsiirto-ominaisuuksien osalta. Tutkimus tarjoaa vankan pohjan sekä perustutkimukselle että kiehtoville teknisille sovelluksille elektroniikan, fotoniikan ja optoelektroniikan aloilla.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications -lehdessä 10.8.2021.
Linkki artikkeliin

Lisätietoa (englanniksi):

Luojun Du
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
0406817981
luojun.du@aalto.fi

Zhipei Sun
Professori
Fotoniikka
Aalto-yliopisto
0504302820
zhipei.sun@aalto.fi