Fosfor en lovende halvleder

(Phys.org) —Defekter skader de ideelle egenskaber af mange todimensionelle materialer, som kulstofbaseret grafen. Fosfor trækker bare på skuldrene.

Det gør det til en lovende kandidat til nano-elektroniske applikationer, der kræver stabile egenskaber, ifølge ny forskning fra Rice Universitys teoretiske fysiker Boris Yakobson og hans kolleger.

I en artikel i American Chemical Society journal Nano bogstaver , Rice-holdet analyserede egenskaberne af elementære bindinger mellem halvledende fosforatomer i 2-D ark. Todimensionelt fosfor er ikke teoretisk; den blev for nylig skabt gennem eksfoliering fra sort fosfor.

Forskerne sammenlignede deres resultater med 2-D metal dichalcogenider som molybdændisulfid; disse metalforbindelser er også blevet overvejet til elektronik på grund af deres iboende halvledende egenskaber. I uberørte dichalcogenider, atomer af de to elementer veksler i låsetrin. Men hvor som helst to atomer af samme grundstof binder sig, de skaber en punktdefekt. Tænk på det som en midlertidig forstyrrelse i kraften, der kunne bremse elektronerne ned, sagde Yakobson.

Halvledere er det grundlæggende element i moderne elektronik, der styrer og styrer, hvordan elektroner bevæger sig gennem et kredsløb. Men når en forstyrrelse uddyber et båndgab, halvlederen er mindre stabil. Når kaos hersker i form af flere punktdefekter eller korngrænser - hvor ark af et 2-D-materiale smelter sammen i vinkler, tvinger ligesom atomer til at binde - materialerne bliver langt mindre nyttige.

Yakobson-laboratoriets beregninger viser, at fosfor ikke har noget sådant problem. Selv når der er punktdefekter eller korngrænser, materialets halvledende egenskaber er stabile. Ligesom perfekt grafen - men i modsætning til ufuldkommen grafen - fungerer den som forventet.

Se 2-D fosfor fra oven, og det ligner grafen, bornitrid eller andre dicalcogenider, med dens rækker af sekskanter. Men på skrå, fosfor afslører sin sande form, som alternative atomer stikker ud af matrixen. Denne kompleksitet giver anledning til flere variationer blandt defekterne, sagde Yakobson.

"Fordi 2-D fosfor kun har én type grundstof, dens defekter indeholder ikke hetero-elementære 'forkerte' bindinger, " sagde Yuanyue Liu, avisens første forfatter og en Rice-alumne, nu postdoc-forsker ved National Renewable Energy Laboratory. "Disse bindinger ville ikke fange eller rekombinere elektroner eller huller.

"Dette er en god egenskab til anvendelse i solceller, " sagde han. "To-D-fosfor kunne potentielt bruges til at høste sollys, da dets båndgab matcher godt med solspektret." I modsætning til konventionelle absorbere, han sagde, tilstedeværelsen af ​​defekter ville ikke forringe materialets ydeevne.

Forskerne viser også, at det kan være muligt at tune de elektroniske egenskaber af 2-D fosfor ved at ændre (alias doping) det med fremmede atomer. Dette burde være af værdi for elektronikproducenter, sagde Yakobson. Kulstof og zink kan øge den positive ledningsevne, mens kalium kan øge negativ ledningsevne; forskerne mener, at fosfor kan være et lovende anodemateriale til batterier.

Faktisk, 2-D fosfor har mere til fælles med tredimensionelt silicium, det mest almindelige element i halvledende elektronik som computerchips. Som i 2-D fosfor, korngrænser i silicium forårsager ikke ændringer i båndgab. Imidlertid, punktfejl i silicium kan ændre dets egenskaber, i modsætning til punktfejl i fosfor.

Dette tyder på, at 2-D-phosphor også kunne være en kandidat til højtydende elektronik. Faktisk, Liu sagde, flere eksperimentelle rapporter har allerede vist, at det kan være en bedre transistor end 2-D metal dichalcogenider.

The researchers noted that phosphorus is abundant and black phosphorus can be made relatively easily, but phosphorus reacts slowly with oxygen. To make it practical for daily applications, it has to be well-sealed, sagde Liu.