Un team di scienziati coreani sintonizza la banda proibita del fosforo nero per formare un conduttore superiore, consentendo la produzione in serie dell'applicazione per dispositivi elettronici e optoelettronici.

Il team di ricerca della Pohang University of Science and Technology (POSTECH), affiliato con il Center for Artificial Low Dimensional Electronic Systems (CALDES) dell'Istituto per le scienze di base (IBS), riportato un gap di banda sintonizzabile in BP, modificando efficacemente il materiale semiconduttore in un unico stato di materia con dispersione anisotropa. Questo risultato della ricerca consente potenzialmente una grande flessibilità nella progettazione e ottimizzazione di dispositivi elettronici e optoelettronici come pannelli solari e laser per telecomunicazioni.

Per comprendere veramente il significato dei risultati del team, è fondamentale per comprendere la natura dei materiali bidimensionali (2-D), e per questo bisogna tornare al 2010 quando il mondo dei materiali 2-D era dominato da un semplice e sottile foglio di carbonio, una forma stratificata di atomi di carbonio costruiti per assomigliare a nido d'ape, chiamato grafene. Il grafene è stato annunciato a livello mondiale come un materiale prodigioso grazie al lavoro di due scienziati britannici che hanno vinto il Premio Nobel per la fisica per le loro ricerche su di esso.

Il grafene è estremamente sottile e ha attributi notevoli. È più forte dell'acciaio ma molte volte più leggero, più conduttivo del rame e più flessibile della gomma. Tutte queste proprietà combinate lo rendono un tremendo conduttore di calore ed elettricità. Uno strato privo di difetti è anche impermeabile a tutti gli atomi e le molecole. Questa fusione lo rende un materiale straordinariamente attraente da applicare agli sviluppi scientifici in un'ampia varietà di campi, come l'elettronica, aerospaziale e sportivo. Nonostante tutta la sua abbagliante promessa, c'è tuttavia uno svantaggio; il grafene non ha band gap.

Trampolini di lancio verso uno stato unico

Il band gap di un materiale è fondamentale per determinarne la conduttività elettrica. Immagina due attraversamenti di fiumi, uno con trampolini fitti, e l'altro con ampi spazi tra le pietre. Il primo è molto più facile da attraversare perché un salto tra due pietre fitte richiede meno energia. Un gap di banda è più o meno lo stesso; più piccolo è il divario, più efficientemente la corrente può muoversi attraverso il materiale e più forte è la corrente.

Il grafene ha una banda proibita pari a zero nel suo stato naturale, però, e così agisce come un conduttore; il potenziale del semiconduttore non può essere realizzato perché la conduttività non può essere interrotta, anche a basse temperature. Questo ovviamente diluisce il suo fascino come semiconduttore, poiché l'interruzione della conduttività è una parte vitale della funzione di un semiconduttore.

Nascita di una rivoluzione

Il fosforo è il quindicesimo elemento della tavola periodica e dà il nome a un'intera classe di composti. In effetti potrebbe essere considerato un archetipo della chimica stessa. Il fosforo nero è la forma stabile del fosforo bianco e prende il nome dal suo colore distintivo. Come il grafene, BP è un semiconduttore ed è anche economico per la produzione di massa. L'unica grande differenza tra i due è il gap di banda naturale di BP, permettendo al materiale di accendere e spegnere la sua corrente elettrica. Il team di ricerca ha testato alcuni strati di BP chiamato fosforene, che è un allotropo del fosforo.

Keun Su Kim, un amabile professore di stanza al POSTECH parla a raffiche rapide quando descrive in dettaglio l'esperimento, "Abbiamo trasferito elettroni dal drogante - potassio - alla superficie del fosforo nero, che ha confinato gli elettroni e ci ha permesso di manipolare questo stato. Il potassio produce un forte campo elettrico che è ciò di cui avevamo bisogno per regolare la dimensione del band gap".

Questo processo di trasferimento di elettroni è noto come drogaggio e induce un gigantesco effetto Stark, che ha sintonizzato il gap di banda consentendo alle bande di valenza e conduttiva di avvicinarsi, abbassando efficacemente il band gap e alterandolo drasticamente ad un valore compreso tra 0,0 ~ 0,6 elettron Volt (eV) dal suo valore intrinseco originale di 0,35 eV. Il professor Kim ha spiegato, "Il grafene è un semimetallo Dirac. È più efficiente nel suo stato naturale del fosforo nero, ma è difficile aprire il suo gap di banda; quindi abbiamo regolato il gap di banda di BP per assomigliare allo stato naturale del grafene, uno stato unico della materia che è diverso dai semiconduttori convenzionali."

Il potenziale per questa nuova forma migliorata di fosforo nero è al di là di tutto ciò che il team coreano sperava, e molto presto potrebbe essere potenzialmente applicato a diversi settori tra cui l'ingegneria in cui gli ingegneri elettrici possono regolare il gap di banda e creare dispositivi con l'esatto comportamento desiderato. La rivoluzione 2-D, sembra, è arrivato ed è qui per il lungo periodo.