Sort fosfor stiger foran grafen

Et koreansk hold af videnskabsmænd tuner sort fosfors båndgab for at danne en overlegen leder, gør det muligt at masseproducere applikationen til elektroniske og optoelektroniske enheder.

Forskerholdet fra Pohang University of Science and Technology (POSTECH), tilknyttet Institute for Basic Sciences (IBS) Center for Artificial Low Dimensional Electronic Systems (CALDES), rapporterede et tunbart båndgab i BP, effektivt at modificere det halvledende materiale til en unik tilstand af stof med anisotrop dispersion. Dette forskningsresultat giver potentielt mulighed for stor fleksibilitet i design og optimering af elektroniske og optoelektroniske enheder som solpaneler og telekommunikationslasere.

For virkelig at forstå betydningen af ​​holdets resultater, det er vigtigt at forstå karakteren af ​​todimensionelle (2-D) materialer, og for det skal man gå tilbage til 2010, hvor verden af ​​2-D materialer blev domineret af et simpelt tyndt ark kulstof, en lagdelt form af kulstofatomer konstrueret til at ligne honningkage, kaldet grafen. Grafen blev globalt udråbt som et vidundermateriale takket være arbejdet fra to britiske videnskabsmænd, der vandt Nobelprisen i fysik for deres forskning i det.

Grafen er ekstremt tyndt og har bemærkelsesværdige egenskaber. Det er stærkere end stål og alligevel mange gange lettere, mere ledende end kobber og mere fleksibel end gummi. Alle disse egenskaber kombineret gør det til en enorm leder af varme og elektricitet. Et defektfrit lag er også uigennemtrængeligt for alle atomer og molekyler. Denne sammenlægning gør det til et forrygende attraktivt materiale at anvende på videnskabelige udviklinger inden for en lang række områder, såsom elektronik, rumfart og sport. På trods af alt dets blændende løfte er der dog en ulempe; grafen har ingen båndgab.

Stepping Stones til en unik tilstand

Et materiales båndgab er grundlæggende for at bestemme dets elektriske ledningsevne. Forestil dig to flodkrydsninger, en med tætpakkede trædesten, og den anden med store mellemrum mellem stenene. Førstnævnte er langt lettere at krydse, fordi et spring mellem to tætpakkede sten kræver mindre energi. Et båndgab er meget det samme; jo mindre mellemrummet er, jo mere effektivt kan strømmen bevæge sig hen over materialet og jo stærkere er strømmen.

Grafen har et båndgab på nul i sin naturlige tilstand, imidlertid, og så fungerer som en dirigent; halvlederpotentialet kan ikke realiseres, fordi ledningsevnen ikke kan lukkes, selv ved lave temperaturer. Dette fortynder naturligvis dens appel som halvleder, da afbrydelse af ledningsevne er en vital del af en halvleders funktion.

Fødsel af en revolution

Fosfor er det femtende element i det periodiske system og giver sit navn til en hel klasse af forbindelser. Det kunne faktisk betragtes som en arketype af kemi selv. Sort fosfor er den stabile form for hvidt fosfor og får sit navn fra sin karakteristiske farve. Ligesom grafen, BP er en halvleder og også billig at masseproducere. Den ene store forskel mellem de to er BP's naturlige båndgab, giver materialet mulighed for at tænde og slukke for dets elektriske strøm. Forskerholdet testede på få lag af BP kaldet phosphorene, som er en allotrop af phosphor.

Keun Su Kim, en elskværdig professor udstationeret på POSTECH taler i hurtige stød, når han beskriver eksperimentet, "Vi overførte elektroner fra dopingmidlet - kalium - til overfladen af ​​det sorte fosfor, som begrænsede elektronerne og tillod os at manipulere denne tilstand. Kalium producerer et stærkt elektrisk felt, som er, hvad vi krævede for at justere størrelsen af ​​båndgabet."

Denne proces med at overføre elektroner er kendt som doping og inducerede en kæmpe Stark-effekt, som tunede båndgabet, så valens- og ledende bånd kunne bevæge sig tættere sammen, effektivt at sænke båndgabet og drastisk ændre det til en værdi mellem 0,0 ~ 0,6 elektron Volt (eV) fra dets oprindelige indre værdi på 0,35 eV. Professor Kim forklarede, "Graphene er et Dirac-halvmetal. Det er mere effektivt i sin naturlige tilstand end sort fosfor, men det er svært at åbne dets båndgab; derfor tunede vi BP's båndgab til at ligne den naturlige tilstand af grafen, en unik materietilstand, der er forskellig fra konventionelle halvledere."

Potentialet for denne nye forbedrede form for sort fosfor er ud over noget, det koreanske hold håbede på, og meget snart kan det potentielt anvendes til adskillige sektorer, herunder teknik, hvor elektriske ingeniører kan justere båndgabet og skabe deviser med den nøjagtige opførsel, der ønskes. 2D-revolutionen, det ser ud til, er ankommet og er her i det lange løb.