Les chercheurs ont utilisé les installations exceptionnelles de Micronova Nanofabrication Cleanroom. Crédit : Mikko Raskinen/Université Aalto
Nouvelle étude publiée dans Communication Nature est le premier à montrer de fortes propriétés optiques dans un matériau 1D van der Waal.
Lorsque les électrons sont confinés dans de très petits espaces, ils peuvent présenter un comportement électrique, optique et magnétique inhabituel. Du confinement des électrons dans une feuille atomique bidimensionnelle graphène – un exploit qui a remporté le prix Nobel de physique en 2010 – à restreindre encore plus les électrons pour atteindre l’unidimensionnalité, ce vaste axe de recherche transforme le paysage de la recherche fondamentale et des avancées technologiques en physique, chimie, récupération d’énergie, information et au-delà .
Dans une étude publiée dans Communication Nature, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’Université Aalto a maintenant découvert que le phosphore rouge fibreux, lorsque les électrons sont confinés dans ses sous-unités unidimensionnelles, peut présenter de grandes réponses optiques, c’est-à-dire que le matériau présente une forte photoluminescence sous irradiation lumineuse. Le phosphore rouge, comme le graphène, appartient à un groupe unique de matériaux appelés matériaux unidimensionnels de van der Waals (1D vdW). Un matériau 1D vdW est un type de matériau radicalement nouveau qui n’a été découvert qu’en 2017. Jusqu’à présent, la recherche sur les matériaux 1vdW s’est concentrée sur les propriétés électriques.
L’équipe a découvert les propriétés optiques du phosphore rouge fibreux 1D vdW grâce à des mesures telles que la spectroscopie de photoluminescence, où ils ont projeté une lumière laser sur les échantillons et mesuré la couleur et la luminosité de la lumière émise en retour. Les résultats montrent que le matériau vdW 1D présente des réponses optiques linéaires et non linéaires anisotropes géantes – en d’autres termes, les réponses optiques dépendent fortement de l’orientation du cristal de phosphore fibreux – ainsi que de l’intensité d’émission, qui est liée au nombre de photons émis pendant un temps précis.
«La façon dont il a répondu dans les expériences fait du phosphore rouge fibreux 1D vdW un matériau vraiment passionnant. Par exemple, il montre à la fois des réponses linéaires et non linéaires anisotropes géantes ainsi que l’intensité des émissions, ce qui est frappant», déclare le Dr Luojun Du, chercheur postdoctoral à l’Université Aalto.
La photoluminescence du matériau – l’effet couramment observé dans la vie quotidienne dans les panneaux réfléchissants ou les jouets phosphorescents pour enfants, lorsque la lumière est émise après absorption – a également surpris les chercheurs. L’équipe a comparé la photoluminescence du phosphore rouge fibreux avec le disulfure de molybdène monocouche (MoS2), qui est bien connu pour sa forte photoluminescence, et a constaté que l’intensité de la photoluminescence était plus de 40 fois plus intense, la rendant ultra-lumineuse – bien que très brièvement.
«La forte photoluminescence du phosphore rouge fibreux est inattendue. En fait, on s’attendait initialement à ce que la photoluminescence du phosphore rouge fibreux ne soit que faible. Sur la base de calculs théoriques, cet effet ne devrait pas être réellement fort, nous faisons donc maintenant plus d’expériences pour clarifier l’origine de sa rémanence », explique Du.
«Je pense que les matériaux van der Waals unidimensionnels comme le phosphore rouge fibreux sont vraiment prometteurs pour les écrans et autres applications, qui reposent sur des matériaux qui démontrent exactement les comportements que nous avons observés dans cette étude. Le spectre de sa réponse optique anisotrope semble également très large si nous le comparons aux réponses des matériaux conventionnels», déclare le professeur Zhipei Sun, qui dirige le groupe à l’origine de l’étude.
Référence : « Photonique anisotrope géante dans le phosphore rouge fibreux semi-conducteur 1D van der Waals » par 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 et Zhipei Sun, 10 août 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25104-6
