Metoden stabiliserer, øger fosforen

To år siden, Northwestern Universitys Mark Hersam opdagede en måde at stabilisere eksfolieret sort fosfor - eller phosphoren - en lagdelt halvleder, der kemisk nedbrydes i det fri, men viser stort løfte for elektronik. Ved at indkapsle det i aluminiumoxid, han var i stand til at stabilisere phosphorens reaktivitet over for ilt og vand.

"Problemet er, at phosphoren nu er begravet under aluminiumoxidbelægningen, hvilket begrænser, hvad vi kan gøre med det, sagde Hersam, Walter P. Murphy professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering. "Ville det ikke være bedre, hvis vi kunne stabilisere phosphoren uden at tilstoppe dets overflade?"

Hersam og hans team har gjort netop det.

Ved at anvende organisk kemi til at kovalent reagere et enkeltmolekyle-tykt lag på phosphoren, holdet bidrog effektivt til den samme passivering, som det opnåede med alumina tilbage i 2014. Men denne gang er laget tyndt nok til at give adgang til materialets overflade.

"Hvis det vil være nyttigt til applikationer som sensorer, så skal det, du vil opdage, for at kunne interagere med materialet, " sagde Hersam. "Det tykke lag af aluminiumoxid forhindrede enhver atmosfærisk art i at nå phosphorenoverfladen, så den kunne ikke bruges som detektor."

Støttet af Office of Naval Research og Department of Energy, forskningen er beskrevet online den 2. maj, 2016 udgave af tidsskriftet Naturkemi . Christopher Ryder, en kandidatstuderende i Hersams laboratorium, fungerede som papirets første forfatter. Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff professor i katalytisk kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences og professor i materialevidenskab og teknik, og George Schatz, Charles E. og Emma H. ​​Morrison professor i kemi og professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab, også medforfatter til avisen.

I de seneste år, phosphoren har fanget opmærksomheden som en kraftfuld halvleder med stort potentiale til brug i tynde, fleksibel elektronik. Dens ustabilitet i det fri, imidlertid, har forhindret den i at blive testet i mulige applikationer, såsom transistorer, optoelektronik, sensorer, eller endda batterier. Nu viser det sig, at de kovalent bundne, enkelt-molekyle-tykt lag kan endda øge phosphorens værdi til brug i disse applikationer. Holdet opdagede, at ikke kun laget forhindrer fosforen i at nedbrydes, men det forbedrer også dets elektroniske egenskaber.

"Kemien påvirkede ladningsstrømmen gennem phosphoren, " sagde Hersam. "Vi opnåede forbedringer i lademobilitet, som er relateret til transistorens hastighed, og hvor godt det skifter i et integreret kredsløb."

Nu hvor Hersams team har skabt en stabil version af fosfor, det planlægger at udforske disse potentielle anvendelser. Det næste trin er at oprette optimerede enheder baseret på fosfor og sammenligne dem med enheder fremstillet med alternative materialer.

"Vi kan forestille os mange muligheder, "Hersam sagde. "Fremtiden vil lære os præcis, hvor phosphoren har en konkurrencefordel."