В черном фосфоре нашли анизотропную теплопроводность

Структура кристалла черного фосфора и 2 выделенных направления в нем: ZZ — «зигзаг», AC — «кресло».Изображение: Junqiao Wu, Berkeley Lab

Международный коллектив физиков экспериментально показал, что теплопроводность черного фосфора «вдоль» и «поперек» кристалла может отличаться до двух раз. Такой эффект возникает из-за характерной слоистой структуры материала, благодаря которой ему прочат большое будущее в электронике. Исследование опубликованов Nature Communications.

Авторы измеряли теплопроводность монокристаллических полосок черного фосфора в зависимости от их толщины и температуры. Полоски вырезали так, чтобы их длинная сторона совпадала с одним из двух выделенных направлений в кристаллической решетке: «зигзаг» или «кресло». Полученные образцы помещали на микроэлектрод, вакуумировали и проводили измерение.

Оказалось, что при температурах 100 кельвинов и выше теплопроводность для двух направлений отличалась почти в два раза. При этом большее значение всегда соответствовало мотиву «зигзаг». Кроме того, теплопроводность была меньше в случае наиболее тонких полосок.

Ученые объяснили ориентационную зависимость теплопроводности в черном фосфоре при помощи теоретической модели. Согласно расчетам, наибольший вклад оказывало дисперсия и взаимное рассеяние фононов, так как оба этих явления зависят от направления распространения фононов. Авторы отметили, что теплопроводность черного фосфора была впервые измерена гораздо раньше (в 1965 году), однако тогда не удалось обнаружить пространственную анизотропию.

Черный фосфор является устойчивым при нормальных условиях, однако для его синтеза необходимо создать очень высокое давление — порядка 10-20 тысяч атмосфер. Это вещество имеет слоистую структуру, подобно графиту, поэтому их электронные свойства часто сравнивают. Из черного фосфора даже можно получить монослойныйфосфорен — аналог графена.

Тарас Молотилин