Musta fosfori paljastaa salaisuutensa

Kanadalaisien Université de Montréal ja Polytechnique Montreal sekä ranskalaisen CNRS-tutkimuslaitoksen tutkijoista koostuva ryhmä on onnistunut estämään kaksiulotteisen kerroksen mustaa fosforia hapettumiselta.

Näin tehdessään he ovat avanneet mahdollisuuden hyödyntää niiden muista kaksiulotteisista poikkeavia ominaisuuksia useissa elektroniikan ja optoelektroniikan laitteissa.

Musta fosfori on vakaa allotropia fosforia, jonka lamellirakenne on samanlainen kuin grafiitilla. Se on viime aikoina herättänyt fyysikkojen ja materiaalitutkijoiden huomiota, koska siitä voi irrottaa yksittäisiä atomikerroksia.

Tutkijat kutsuvat yksittäisiä kerroksia kaksiulotteiseksi fosfaaniksi (phosphane). Kaksiulotteinen fosfaani on puolijohde, joka tarjoaa tarvittavat ominaisuudet tehdä transistoreita ja prosessoreita. Sen mahdollistama suuri varauksien liikkuvuus voisi muodostaa perustan elektroniikalle, joka on sekä tehokas että edullinen.

Materiaalin suora sähköinen aukko voi vaihdella välillä 0,3 - 2 elektronivolttia, riippuen kalvon paksuudesta. Täten sen yksittäinen monokerros emittoi punaista valoa, kun taas paksumpi näyte säteilee infrapunaa.

Tähän asti tutkimusta 2D-fosfaanin ominaisuuksista on hidastanut se, että erittäin ohuet kerrokset materiaalia heikkenevät, siten, ettei sen käyttö teollisuudessa olisi mielekästä.

Nyt tutkimusryhmä onkin tehnyt merkittävän askeleen onnistuessaan määrittelemään tämän hajoamisen mekanismit. Tässä 2D-materiaalissa aiheutuu oksidoituminen hapen veden ja valon vaikutuksesta.

Heikkenemisen syyksi tutkijat löysivät materiaalista ennen havaitsemattoman atomitason värähtelyilmiön. Seuraavaksi tutkijat kehittävät tehokkaan menettelyn tuottaa näitä hyvin herkkiä yhden atomin kerroksia ja siten säilyttää niiden ominaisuudet.