«Была предпринята десятилетняя попытка сделать графен полупроводниковым, — сказал Марк Херсам из Северо-Западного университета. «Наша группа и другие пытались сделать это с ограниченным успехом. Так почему бы просто не использовать материал, который уже является полупроводником?»
Для того, чтобы фосфорен полностью раскрыл свой потенциал, он должен быть невероятно тонким — желательно в атомном масштабе. До сих пор исследователи испытывали трудности с быстрым и эффективным отшелушиванием атомарно тонких хлопьев от основного материала, называемого черным фосфором. Однако Херсам, возможно, решил эту проблему.
Его группа недавно разработала метод, который приводит к значительно более высокому результату отшелушивания и значительно более тонким хлопьям, чем предыдущие попытки.Исследование, проведенное при поддержке Национального научного фонда и Управления военно-морских исследований, описано в онлайн-выпуске от 18 апреля Proceedings of the National Academy of Sciences. Чжухун Кан, аспирант лаборатории Херсама, является первым автором исследования.
После отшелушивания от черного фосфора фосфорен имеет совершенно разные электронные и механические свойства по сравнению с исходным материалом. Мало того, что атомарно тонкие двумерные слои являются мощными полупроводниками, они также эффективно излучают свет, открывая возможности для оптоэлектроники.«Графен научил нас тому, что наиболее масштабируемым методом является расслоение в растворе», — сказал Херсам, профессор материаловедения и инженерии Уолтера П. Мерфи инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета. «Вы начинаете с растворителя, а затем добавляете графит и поверхностно-активное вещество.
После введения энергии посредством обработки ультразвуком вы можете расслоить графит до графена. Казалось бы очевидным, что тот же подход будет работать с фосфором. Однако разница в том, что фосфорен очень химически реактивен, что требует важных изменений в протоколе для достижения отшелушивания без разрушения ».
При контакте с открытым воздухом химическая активность фосфорена приводит к быстрому ухудшению его свойств. Результат предполагает, что компоненты воздуха, такие как вода и кислород, вызывают разложение, и этого следует избегать.
Следовательно, Hersam изначально обошла эту проблему, отшелушивая органическими растворителями в закрытой, безвоздушной и безводной среде.«Проблема с подходом с использованием органических растворителей в том, что он очень неэффективен», — сказал он. «Это приводит к низкому отслаиванию и относительно толстым хлопьям».
Прорыв произошел, когда Херсам и его команда осознали — после года изучения процесса разложения — что фосфорен разлагается в присутствии воды и кислорода вместе. Пропуская инертный газ через воду, Hersam деоксигенировал ее, чтобы создать водный растворитель для отшелушивания черного фосфора, который предотвращает разложение. После обработки черного фосфора ультразвуком в смеси деоксигенированной воды и поверхностно-активных веществ он обнаружил значительно более высокий выход расслоения и гораздо более тонкие хлопья, которые достигли атомно-тонкого предела.
Помимо получения высококачественных фосфоровых материалов, в этом методе используется общедоступная экологически безопасная вода, а не органические растворители.«Мы взяли образовавшиеся отслоившиеся хлопья и изготовили из них транзисторы», — сказал Херсам. «Показатели устройства были одними из лучших для любого расслоенного фосфора, тем самым подтверждая, что мы изолировали высококачественный материал с возможностью масштабирования без разрушения».