Матеріалознавці з Фінляндії та Китаю виявили, що для нитевидного червоного фосфору - кристалічної модифікації, що складається з незв'язаних атомарних трубок, - характерно гігантське посилення фотолюмінесценції. Інтенсивність люмінесценції одномірного фосфору в чотири рази перевершує аналогічні показники для кращих почесних матеріалів, а анізотропія люмінесценції, яка досягає 90 відсотків, - на рівні рекордних значень. Ці результати можуть змістити фокус інтересу нанофотоники та оптоелектроніки на користь одномірних матеріалів, пишуть вчені в.
Зменшення розмірності кристалів значно розширює діапазон їх фізичних властивостей. Рух електронів у низькорозмірному середовищі обмежено, і саме тому незвичайні електронні властивості з'являються, наприклад, у графена або напівпровідників на основі дихалькогенідів перехідних металів. Почесність призводить до квантових фазових переходів, в результаті чого в кристалах з'являються хіральні квазічастинки, незвичайна надпровідність або виникають нелінійні оптичні ефекти. Кілька таких шарів можна за допомогою вандерваальсових сил зібрати в єдину систему, в якій кожен шар виконує свою функцію. Детальніше про такі багатошарові матеріали ви можете прочитати в інтерв'ю з Юрієм Гогоці.
На території, однак, можна не зупинятися. Якщо обмежити рух електронів у кристалі не двома вимірами, а одним, це може призвести до не менш цікавих ефектів. Наприклад, у таких нитевидних кристалах у електронів порушується обертальна симетрія, через що у вандерваальсових структурах, складених з одномірних кристалів, виникає виражена анізоторопія електронних властивостей. Однак поки що одномірні вандерваальсові матеріали досліджені значно гірше за почесні, і весь клас поки обмежується окремими прикладами (зокрема, телюром і селендом сурьми), властивості яких вивчені досить слабо. Матеріалознавці з Фінляндії, Китаю і Сінгапуру під керівництвом Чжипея Суня (Zhipei Sun) з Університету Аалто вивчили нітевидний червоний фосфор - гірше вивчений матеріал з аналогічною структурою - і показали, що такі одномірні кристали можуть мати не тільки анізотропну електропровідність, але й унікальні оптичні властивості.
За нормальних умов фосфор може приймати кілька різних форм:кристал білого фосфору складається з тетраедричних молекул P4, червоний і фіолетовий фосфор мають у складі ланцюжка з п'ятикутних елементів, в чорному фосфорі атоми утворюють слоїсту структуру з непоганою гексагональною решіткою. Якщо почесні вандерваальсові матеріали найлегше отримувати з чорного фосфору, то для одномірних кристалів більше підходить ще одна аллотропна модифікація, описана німецькими хіміками в 2005 році - нитевидний червоний фосфор (fibrous red phosphorus).
Кристали цієї форми фосфору являє собою набір паралельних трубок, п'ятикутних у перерізі. Ці атомарні трубки зв'язуються в пари, відстань між якими близько 0,5-0,7 нанометра. Між парами трубок ковалентного зв'язку немає, тому переміщення електронів обмежене всього одним виміром - це фактично робить нітевидний червоний фосфор одномірним вандерваальсовим матеріалом.
Виявилося, що якщо нитевидні кристали фосфору помістити на кремнієву підкладку так, щоб п'ятикутні трубки розташовувалися паралельно поверхні, то в них з'являється гігантське посилення фотолюмінесценції. Квантовий вихід люмінесценції у нитевидного червоного фьодора виявився, як мінімум, в чотири рази більше, ніж у дисульфіда молібдену - аналогічного прямозонного напівпровідника, але чистого, а не одномірного. При цьому в спектрі люмінесценції відразу вісім піків - вчені пояснюють це участю в механізмі люмінесценції фононів, енергія яких співвідноситься з відстанню між піками на спектрі.
Ще один дуже важливий оптичний ефект, який виявили вчені в нитевидному фосфорі, - гігантський лінійний дихроїзм, тобто відмінність в інтенсивності люмінесценції залежно від поляризації світла. Анізотропія люменісценції сягає 90 відсотків - це близько до рекордних значень для нелінійних оптичних матеріалів. Крім того, виражена анізотропія спостерігалася при генерації третьої гармоніки, а також у фононному спектрі. За словами вчених, таке поєднання властивостей навіть в одному конкретному матеріалі говорить про потенціал всього класу одномірних вандерваальсових структур як елементів нанофотонних, наноелектронних і оптоелектронних пристроїв.
Одномірні кристали цікаві не тільки своїми електронними та оптичними властивостями, але часто володіють незвичайними механічними характеристиками. Наприклад, зібрані в пучок вуглецеві нанотрубки можуть ефективно зберігати механічну енергію, і завдяки цьому працювати як стабільний механічний акумулятор. А якщо лід виростити у формі одномірного кристала, то він стає пружним - так, що його можна згинати і звернемо розтягувати більше, ніж на 10 відсотків.