Anisotrope in-plane Wärmeleitfähigkeit von schwarzen Phosphor-Nanoribbons bei Temperaturen über 100 K

Schwarzer Phosphor zieht enormes Interesse als vielversprechendes Schichtmaterial für elektronische, optoelektronische und thermoelektrische Anwendungen auf sich. Hier berichten wir über eine große Anisotropie in der in-plane Wärmeleitfähigkeit von einkristallinen schwarzen Phosphor-Nanoribbons entlang der Zigzag- und Armchair-Gitterrichtungen bei variablen Temperaturen. Die Messungen der Wärmeleitfähigkeit wurden unter Bedingungen des stationären longitudinalen Wärmeflusses mit Hilfe von schwebenden Mikrovorrichtungen durchgeführt. Wir entdeckten eine zunehmende Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit, bis zu einem Faktor von zwei, bei Temperaturen über 100 K. Effekte der Größe in der Wärmeleitfähigkeit wurden ebenfalls beobachtet, wobei dünnere Nanoribbons eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit zeigen. Analysiert mit dem Modell der Relaxationszeitapproximation unter Verwendung von Phononenspreads, die auf der Störungstheorie der Dichtefunktion basieren, wird die hohe Anisotropie hauptsächlich der richtungsabhängigen Phononenspreizung und teilweise der Phonon-Phonon-Streuung zugeschrieben. Unsere Ergebnisse, die die intrinsische, orientierungsabhängige Wärmeleitfähigkeit von schwarzem Phosphor offenbaren, sind nützlich für das Design von Geräten sowie zum Verständnis der grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Schichtmaterialien.