Ingeniører fremmer indsigt i sort fosfor som et materiale til fremtidig fleksibel elektronik med ultralav effekt

Sort fosfor er et krystallinsk materiale, der tiltrækker stigende forskningsinteresse fra halvlederenhedsingeniører, kemikere og materialeforskere til at skabe atomisk tynde film af høj kvalitet.

Fra perspektivet af et 2-D lagdelt materiale, sort fosfor viser lovende applikationer i næste generations fleksibel elektronik, der kunne muliggøre fremskridt inden for halvledere, medicinsk billeddannelse, nattesyn og optiske kommunikationsnetværk.

Som en potentiel erstatning for grafen og silicium, det har fremragende egenskaber som tunable bandgap, som grafen mangler. Et bånd, et energibånd, hvori ingen elektrontilstande kan eksistere, er afgørende for at skabe den tænd/sluk-strøm af elektroner, der er nødvendige i digital logik og for generering af fotoner til LED'er og lasere.

Desværre, sort fosfor er svært at lave og svært at holde. Det nedbrydes hurtigt, når det udsættes for luft. Hvorfor dette sker, og de nøjagtige mekanismer, hvorved det sker – uanset om ilt eller fugt i luften nedbrydes eller begge dele – er fortsat et emne for aktiv debat i forskersamfundet.

Vanderbilts ingeniørforskere har for første gang vist, at reaktionen af ​​sort fosfor til oxygen kan observeres på atomare skala ved hjælp af in situ-transmission elektronmikroskopi (TEM).

Resultaterne er rapporteret i deres papir, "Visualisering af oxidationsmekanismer i få-lags sort fosfor via in situ transmissionselektronmikroskopi, " i American Chemical Society's Anvendte materialer og grænseflader tidsskrift.

"I forskning, Der eksisterer mange gange forskellige og ofte modstridende hypoteser i det videnskabelige samfund. Imidlertid, evnen til at observere en reaktion ved atomopløsning i realtid giver tiltrængt klarhed til at drive fremskridt. Vi bruger indsigten fra vores in-situ TEM-eksperimenter ved atomopløsning i vores laboratorium til at udvikle nye syntese- og konserveringsmetoder for sort fosfor, " sagde Piran Kidambi, adjunkt i kemi- og biomolekylær teknik.

"Nuværende tilgange har set på at indkapsle det med et oxid- eller polymerlag uden rigtig at forstå hvorfor eller hvordan oxidationen forløber, " sagde Andrew E. Naclerio, andenårs kandidatstuderende ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik og papirets førsteforfatter.

"Det meste af forståelsen af ​​sort fosforoxidation har været baseret på resultater fra spektroskopiske sonder, " sagde Kidambi, Naclerios rådgiver. I samarbejde med Dmitri Zakharov, stabsforsker ved Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, holdet brugte miljøtransmissionselektronmikroskopi (ETEM), som giver realtid in-situ observation af strukturel information om en prøve og reaktion ved atomopløsning.

"Dette er et af de få mikroskoper i USA og verden med evnen til at udføre atomopløsningsbilleddannelse, mens de introducerer gasser og opvarmning, " sagde Kidambi. Samarbejdet voksede fra et peer-reviewed brugerforslag og er finansieret af Department of Energy (DOE).

"Nogle indsigter, vi fik, var, at reaktionen forløber via dannelsen af ​​et amorft lag, der efterfølgende fordamper. Forskellige krystallografiske kanter fører til forskellige grader af ætsning, og det stemmer godt overens med teoretiske beregninger, " sagde Kidambi.

Samarbejdet om teoretiske beregninger med to af papirets forfattere, forskere Jeevesh Kumar og Mayank Shrivastava ved Indian Institute of Science i Bangalore, blev dannet på en konference, hvor Kidambi var inviteret til at holde et foredrag.

Holdet sigter mod at syntetisere atomisk tynde film af sort fosfor ved hjælp af kemisk dampaflejring, og indsigt i oxidation kan bruges til at udvikle effektive passiveringsteknikker.