Fosforeno apresenta vibrações que alteram a luz

Com informações da Agência Fapesp -  18/07/2016

As cores na borda superior da amostra de fosforeno indicam a intensidade de vibração dos átomos, que é maior nas áreas em vermelho, e menor, nas áreas azuladas. [Imagem: MackGraphe]

Fosforeno

Um grupo de físicos brasileiros observou pela primeira vez como os átomos vibram nas bordas de um material de dimensões nanométricas feito exclusivamente a partir do elemento químico fósforo.

Conhecido como fosforeno, ou fósforo negro, esse material não é encontrado na natureza. Ele foi sintetizado pela primeira vez em 1914, mas suas propriedades com potencial aplicação em nanotecnologia só começaram a ser descobertas dois anos atrás, exatamente um século mais tarde.

Em 2014, uma equipe holandesa mostrou que o fósforo negro em camadas monoatômicas poderia ser usado em células solares.

Hoje já se sabe que essa possibilidade de uso é bem maior, e se ampliou agora com a demonstração de que o fosforeno possui uma característica em suas bordas que lembra a forma como funcionam os promissoresisolantes topológicos, que também têm propriedades na superfície e propriedades diferentes no interior do material.

Reemissão de luz

Henrique Ribeiro e seus colegas observaram uma anomalia no padrão de vibrações que jamais havia sido observada em blocos tão diminutos de fósforo negro - nem em outros materiais com dimensões nanométricas, como o grafeno.

"As bordas do grafeno apresentam algumas propriedades peculiares, mas as vibrações atômicas são iguais às do restante do cristal. Observamos algo novo no fósforo negro," disse o professor Christiano de Matos, um dos coordenadores do trabalho.

Ao fazer feixes de laser incidirem sobre amostras de fósforo negro compostas de diferentes números de camadas atômicas, com espessura variando de 6 a 300 nanômetros, Henrique observou que parte dessa luz é absorvida e parte é espalhada pelos átomos do material. A luz absorvida fornece energia para os átomos vibrarem, alterando as propriedades - em especial, a frequência e a polarização - da luz espalhada.

Ou seja, o material altera a luz que incide sobre ele, reemitindo-a em outras cores e polarizações, o que potencialmente pode ser muito útil em componentes que lidam com a luz em dimensões nanométricas, como os chips fotônicos.

Vibrações nas bordas

Com base em simulações computadorizadas, os físicos concluíram que, nas bordas do fosforeno, os átomos oscilam de maneira específica, diferente daquela dos átomos do restante do material. Essas vibrações de borda apareceram em todas as amostras, independentemente de sua espessura.

Experimentos semelhantes ao feito agora com o fósforo negro já haviam sido realizados com o grafeno e mostrado que, embora seus átomos vibrem da mesma maneira tanto na borda como em seu interior, a luz espalhada nas bordas deste material pode apresentar frequência diferente da espalhada por seu miolo.

A vibração dos átomos viaja pelo material na forma de ondas, chamadas fônons. No grafeno, a borda funciona como um espelho em que a onda bate e volta refletida. É essa reflexão que modifica a frequência da luz espalhada. Já no fósforo negro, a vibração diferente é explicada por um leve deslocamento dos átomos na borda das camadas de fosforeno. "No fosforeno, os átomos da borda têm uma posição de equilíbrio diferente da dos átomos do meio do material", conta Matos. "Isso os faz vibrar de modo distinto."

A capacidade de conduzir eletricidade e de emitir e absorver luz de diversas cores, tornam o fosforeno mais interessante do que o grafeno para aplicações de nanofotônica. [Imagem: H. B. Ribeiro et al. - 10.1038/ncomms12191]

Superior ao grafeno?

Segundo Matos, por ora é difícil dizer se essas alterações na vibração podem ajudar ou atrapalhar o projeto de um dispositivo nanotecnológico, como um transístor ou um sensor de luz: "O que se torna claro é que o projeto de qualquer dispositivo terá de levar essas vibrações de borda em consideração."

Na escala dos nanômetros (milionésimos de milímetros), as vibrações atômicas estão estreitamente relacionadas a várias propriedades dos materiais, em especial, à dissipação de calor. "São as vibrações que carregam o calor de um lado para outro do material", explica o físico.

Desde que as primeiras propriedades com potencial uso em nanotecnologia do fosforeno começaram a ser identificadas, em 2014, vem chamando a atenção dos pesquisadores a capacidade do material de conduzir eletricidade e, principalmente, a de emitir e absorver luz em vários comprimentos de onda - várias cores -, propriedade que varia segundo a espessura do cristal de fósforo negro. São essas propriedades que podem tornar o seu uso mais vantajoso do que o do grafeno em nanofotônica.

Bibliografia:

Edge phonons in black phosphorus
H. B. Ribeiro, C. E. P. Villegas, D. A. Bahamon, D. Muraca, A. H. Castro Neto, E. A. T. de Souza, A. R. Rocha, M. A. Pimenta, C. J. S. de Matos
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 12191
DOI: 10.1038/ncomms12191