Fosforen (z ang. phosphorene) to określenie przyjęte dla materiału zbudowanego z pojedynczej warstwy atomów fosforu. Podobnie jak w grafenie, siatka ma układ heksagonalny, lecz jest nieco bardziej pofałdowana ze względu na wiązania. Kolejny członek rodziny materiałów o grubości jednego atomu ma jednak szczególną cechę – jest naturalnym półprzewodnikiem. Badacze z Purdue University w Stanach Zjednoczonych oraz Fudan University w Chinach poinformowali o badaniach pasma wzbronionego w warstwach fosforenu, które potencjalnie mogą zostać wykorzystane do budowy tranzystorów w nanoelektronice.
“Płaskie” struktury atomowe
Popularny materiał – grafen, o którym informujemy praktycznie co tydzień dostaje kolejnych rywalo. Całkiem niedawno donosiliśmy o borofenie – kwazipłaskiej strukturze składającej się z klastrów liczących 36 atomów boru. Pojawiały się także wiadomości na temat disiarczku molibdenu (MoS2), heksagonalnego azotku boru (h-BN) oraz silicenu (krzemenu). Co fascynuje naukowców w “dwuwymiarowych” strukturach? Znakomite właściwości elektryczne i mechaniczne, które mogą zostać wykorzystane nie tylko w procesach dalszej miniaturyzacji urządzeń elektronicznych. Tak wygląda teoria, ponieważ jak dotąd w praktyce występują problemy z wytworzeniem i implementacją takich materiałów do środowiska roboczego.
Czarny fosfor
Sztuczne pasmo wzbronione
Alotropowa odmiana węgla także nie jest pozbawiona wad. Mimo, iż grafen umożliwia swobodny przepływ elektronów po swojej powierzchni w temperaturze pokojowej, to nie posiada naturalnego pasma wzbronionego. W ciałach stałych przerwa energetyczna oddziela dolną granicę pasma przewodnictwa o wyższej energii od górnej granicy pasma walencyjnego o niższej energii. Jeśli tej przerwy nie ma, to przepływem elektronów nie można sterować (włączać i wyłączać, co odpowiada stanom logicznym 1 oraz 0). Pasmo wzbronione posiadają półprzewodniki i izolatory. Brak przerwy w grafenie, ogranicza jego przydatność jako zamiennika krzemowych układów półprzewodnikowych w komputerach. Próby stworzenia sztucznego pasma wzbronionego poprzez działanie zewnętrznym polem elektrycznym lub podstawienia atomów nie zdawały rezultatów. Obiecujace wyniki zaobserwowano natomiast przez stworzenie warunków do uzyskiwania ujemnej rezystancji oraz złączenie dwóch warstw grafenu (z ang. bilayer graphene, BLG). Metody te są jednak bardzo kosztowne i skomplikowane, dlatego naukowcy dalej poszukają alternatywnych materiałów z wysoką ruchliwością nośników, ale z naturalnym pasmem wzbronionym.
Interesującym kandydatem wydaje się być fosforen, nad którym pracowały ostatnio zespoły z USA i Chin. Warstwa z fosforu o grubości jednego atomu posiada naturalną przerwę energetyczną. Naukowcy zakładają, że materiał przezwycięży braki grafenu i będzie użyteczny przy wytwarzaniu cienkich, elastycznych układów elektronicznych, które mogą być chłodzone skuteczniej niż te z krzemu. Do badań uczeni wykorzystali najtrwalszą odmianę fosforu – fosfor czarny. Materiał, podobnie jak grafit składa się z warstw utrzymywanych razem przez słabe oddziaływania Van der Waalsa. Czarny fosfor otrzymuje się głównie przez ogrzewanie fosforu białego bez dostępu tlenu w temperaturze 220°C, pod ciśnieniem 12 000 atmosfer. Ma czarną barwę, metaliczny połysk, przewodzi prąd elektryczny oraz łuszczy się. Posiada ortorombową strukturę i jest najmniej reaktywnym alotropem fosforu. Pojedyncza warstwa, czyli fosforen, składa się z sześcioczłonowych pierścieni, w których każdy atom połączony jest wiązaniem kowalencyjnym z trzema innymi. Monowarstwy są lekko pofałdowane, dzięki czemu istnieje przerwa energetyczna (o przewidywanej wartości ~ 2 eV). Dokładanie kolejnych płaszczyzn powoduje zmniejszenie pasma wzbronionego, aż do poziomu 0,3 eV, jaki posiada czarny fosfor.
Tak wyglądają pojedyncze warstwy fosforenu, które składają się na czarny fosfor. Widoczne wyboczenia atomów wpływają na powstanie pasma wzbronionego.
Techniki produkcji warstw fosforowych
Po raz pierwszy czarny fosfor wyprodukowano w 1914 roku. Niemal sto lat później rozpoczęto próby wyizolowania pojedynczych warstw fosforenu. W styczniu 2014 roku, na łamach serwisu arXiv.org badacze poinformowali o rozebraniu czarnego fosforu do dwóch lub trzech warstw atomowych. Dokonali tego przez odrywanie płatków za pomocą taśmy klejącej, podobnie jak uczynili to pionierzy w przypadku izolowania grafenu z grafitu w 2004 roku. Prymitywna technika nie umożliwiła naukowcom oderwania pojedynczej warstwy fosforenu. Inżynierowie stworzyli już proste tranzystory polowe (z ang. Field Effect Transistor, FET) z kilku warstw fosforenu (o łącznej grubości 4~6 nm, co odpowiada 8~12 warstwom) integrując je z disiarczkiem molibdenu i osadzając na podłożu krzemowym.
Wydaje się, że fosforen i grafen mają przewagę nad konkurencyjnymi materiałami cienkowarstwowymi ponieważ są bardziej stabilne. Silicen ma właściwości autodestrukcyjne, a z pozostałych trudno jest uzyskać arkusze o stosunkowo wielkiej powierzchni. Naukowcy przewidują jeszcze istnienie monowarstwy z atomów cyny o nazwie stanen. Ma ona posiadać podobne właściwości do grafenu, lecz na razie przeprowadzono wyłącznie symulacje komputerowe.
Badacze pracują obecnie nad zaprojektowaniem odpowiedniej metody wytwarzania fosforenu. Póki co, warstwowy materiał uzyskuje się, poddając sproszkowany surowy fosfor działaniu ogromnego ciśnienia i temperatury. Jak twierdza eksperci, sukces fosforenu zależy od skutecznego sposobu wyodrębniania pojedynczy warstwy i osadzania jej na podłożach.
Źródło:
Mesoscale and Nanoscale Physics. Phosphorene: A New 2D Material with High Carrier Mobility. Han Liu, Adam T. Neal, Zhen Zhu, David Tomanek, Peide D. Ye. Submitted on 16 Jan 2014 Materials Science. Black phosphorus field-effect transistors. Likai Li, Yijun Yu, Guo Jun Ye, Qingqin Ge, Xuedong Ou, Hua Wu, Donglai Feng, Xian Hui Chen, Yuanbo Zhang. Submitted on 16 Jan 2014
Grafika: Black Phosphorus Ampoule By Alshaer666 (Own work), CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons
Grafika: NCN-black-phosphorus-xtal-3D-balls-orange By Ben Mills (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons