Scoperto più di 100 anni fa, il fosforo nero è stato presto dimenticato quando non c'era apparente utilità per esso. In quella che potrebbe rivelarsi una delle grandi storie di ritorno dell'ingegneria elettrica, ora sta per svolgere un ruolo cruciale nel futuro dei dispositivi elettronici e optoelettronici.

Con la recente scoperta di un gruppo di ricerca, il materiale potrebbe eventualmente sostituire il silicio come materiale primario per l'elettronica. La ricerca del team, guidato da Fengnian Xia, Barton L. Weller Professore Associato di Yale in Ingegneria e Scienza, è pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura 19 aprile.

Con il silicio come semiconduttore, la ricerca di dispositivi elettronici sempre più piccoli potrebbe presto raggiungere il suo limite. Con uno spessore di pochi strati atomici, però, il fosforo nero potrebbe inaugurare una nuova generazione di dispositivi più piccoli, elettronica flessibile, e transistor più veloci, dicono i ricercatori.

Ciò è dovuto a due proprietà chiave. Uno è che il fosforo nero ha una mobilità maggiore del silicio, cioè, la velocità con cui può trasportare una carica elettrica. L'altro è che ha un bandgap, che dà a un materiale la capacità di agire come un interruttore; può accendersi e spegnersi in presenza di un campo elettrico e fungere da semiconduttore. Grafene, un altro materiale che ha suscitato grande interesse negli ultimi anni, ha una mobilità molto elevata, ma non ha bandgap.

Però, trovare un modo per controllare il bandgap del fosforo nero è fondamentale per realizzare le sue potenziali applicazioni. A quello scopo, i ricercatori hanno scoperto che il bandgap del materiale è più controllabile a un certo spessore. Applicando un campo elettrico verticale al materiale a quello spessore, i ricercatori possono "sintonizzare" il bandgap, essenzialmente riducendo il divario moderato al punto in cui quasi si chiude.

Ciò apre molte potenziali applicazioni per il fosforo nero, come strumenti di imaging, dispositivi per la visione notturna, modulatori ottici nel medio infrarosso, strumenti di spettroscopia su chip, e altre tecnologie optoelettroniche.

"Prima di questo studio, la banda proibita del fosforo nero non poteva essere sintonizzata dinamicamente, limitando le sue applicazioni in optoelettronica, " disse Bingchen Deng, autore principale dello studio e un dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Xia.

Trovare lo spessore ottimale ha richiesto alcuni tentativi ed errori. "All'inizio, abbiamo provato un campione di 4 nanometri di spessore, e abbiamo scoperto che l'accordatura del bandgap non era molto pronunciata, " ha detto Deng.

Deng ha anche notato che avere un bandgap che può essere controllato significa che il fosforo nero potrebbe essere potenzialmente utilizzato come isolante topologico, un materiale con l'insolita capacità di fungere sia da isolante (all'interno del materiale) che da conduttore (sulla sua superficie). I ricercatori sono particolarmente interessati agli isolanti topologici, poiché potrebbero essere la chiave per lo sviluppo di elettronica a bassa potenza in cui gli elettroni in superficie non soffrono di dispersione.