Sort fosfor lover fremtiden for elektronik

Opdaget for mere end 100 år siden, sort fosfor blev hurtigt glemt, da der ikke var nogen synlig brug for det. I hvad der kan vise sig at være en af ​​de store comeback-historier inden for elektroteknik, det står nu til at spille en afgørende rolle i fremtiden for elektroniske og optoelektroniske enheder.

Med et forskerholds nylige opdagelse, materialet kunne muligvis erstatte silicium som det primære materiale til elektronik. Teamets forskning, ledet af Fengnian Xia, Yales Barton L. Weller lektor i teknik og videnskab, er publiceret i tidsskriftet Naturkommunikation 19. april.

Med silicium som halvleder, søgen efter stadigt mindre elektroniske enheder kan snart nå sin grænse. Med en tykkelse på kun nogle få atomlag, imidlertid, sort fosfor kunne indlede en ny generation af mindre enheder, fleksibel elektronik, og hurtigere transistorer, siger forskerne.

Det skyldes to nøgleegenskaber. Den ene er, at sort fosfor har en højere mobilitet end silicium - dvs. den hastighed, hvormed den kan bære en elektrisk ladning. Den anden er, at den har et båndgab, som giver et materiale evnen til at fungere som en kontakt; den kan tænde og slukke i nærvær af et elektrisk felt og fungere som en halvleder. grafen, et andet materiale, der har skabt stor interesse i de senere år, har en meget høj mobilitet, men den har ingen båndgab.

Imidlertid, at finde en måde at kontrollere båndgabet af sort fosfor er afgørende for at realisere dets potentielle anvendelser. Til det formål, forskerne har opdaget, at materialets båndgab er mest kontrollerbar ved en vis tykkelse. Ved at påføre et lodret elektrisk felt på materialet i den tykkelse, forskerne kan "tune" båndgabet, i det væsentlige mindsker det moderate mellemrum til det punkt, hvor det næsten lukker.

Det åbner op for mange potentielle anvendelser for sort fosfor, såsom billedværktøjer, nattesynsapparater, midt-infrarøde optiske modulatorer, on-chip spektroskopi værktøjer, og andre optoelektroniske teknologier.

"Inden denne undersøgelse, båndgabet af sort fosfor kunne ikke indstilles dynamisk, begrænse dets anvendelser inden for optoelektronik, "sagde Bingchen Deng, hovedforfatter af undersøgelsen og en ph.d. studerende i Xias laboratorium.

At finde den optimale tykkelse tog nogle forsøg og fejl. "Først, vi prøvede en 4 nanometer tyk prøve, og vi fandt ud af, at bandgap-justeringen ikke var særlig udtalt, " sagde Deng.

Deng bemærkede også, at det at have et båndgab, der kan kontrolleres, betyder, at sort fosfor potentielt kan bruges som en topologisk isolator, et materiale med den usædvanlige evne til at fungere som både en isolator (inde i materialet) og som en leder (på dets overflade). Forskere er især interesserede i topologiske isolatorer, da de kunne være nøglen til at udvikle laveffektelektronik, hvor elektroner ved overfladen ikke lider af spredning.