Il fosforo nero è un materiale cristallino che sta attirando un crescente interesse di ricerca da parte degli ingegneri dei dispositivi a semiconduttore, chimici e scienziati dei materiali per creare film atomicamente sottili di alta qualità.

Dal punto di vista di un materiale stratificato 2-D, il fosforo nero promette applicazioni nell'elettronica flessibile di prossima generazione che potrebbero consentire progressi nei semiconduttori, imaging medico, visione notturna e reti di comunicazione ottica.

Come potenziale sostituto del grafene e del silicio, ha proprietà eccezionali come bandgap sintonizzabile, che il grafene manca. una banda proibita, una banda di energia in cui non possono esistere stati elettronici, è essenziale per creare il flusso on/off di elettroni che sono necessari nella logica digitale e per la generazione di fotoni per LED e laser.

Sfortunatamente, il fosforo nero è difficile da produrre e difficile da mantenere. Si degrada rapidamente se esposto all'aria. Il motivo per cui ciò accade e gli esatti meccanismi con cui accade, se l'ossigeno o l'umidità nell'aria si degradano o entrambi, rimangono un argomento di dibattito attivo nella comunità di ricerca.

I ricercatori di ingegneria di Vanderbilt hanno dimostrato per la prima volta che la reazione del fosforo nero all'ossigeno può essere osservata su scala atomica utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione in situ (TEM).

I risultati sono riportati nel loro documento, " Visualizzazione dei meccanismi di ossidazione nel fosforo nero a pochi strati tramite microscopia elettronica a trasmissione in situ, " nell'American Chemical Society's Materiali applicati e interfacce rivista.

"Nella ricerca, Nella comunità scientifica esistono molte volte ipotesi diverse e spesso contraddittorie. Però, la capacità di osservare una reazione a risoluzione atomica in tempo reale offre la chiarezza necessaria per spingere i progressi. Stiamo utilizzando le intuizioni dei nostri esperimenti TEM in situ a risoluzione atomica nel nostro laboratorio per sviluppare nuovi metodi di sintesi e conservazione per il fosforo nero, " ha detto Piran Kidambi, professore assistente di ingegneria chimica e biomolecolare.

"Gli approcci attuali hanno cercato di incapsularlo con uno strato di ossido o polimero senza capire veramente perché o come procede l'ossidazione, " ha detto Andrea E. Naclerio, dottorando del secondo anno del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e primo autore dell'articolo.

"La maggior parte della comprensione dell'ossidazione del fosforo nero si è basata sui risultati delle sonde spettroscopiche, " ha detto Kidambi, consigliere di Naclerio. In collaborazione con Dmitri Zakharov, scienziato del personale del Brookhaven National Laboratory di Upton, New York, il team ha utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione ambientale (ETEM), che fornisce l'osservazione in situ in tempo reale delle informazioni strutturali su un campione e la reazione a risoluzione atomica.

"Questo è uno dei pochi microscopi negli Stati Uniti e nel mondo con la capacità di eseguire immagini a risoluzione atomica durante l'introduzione di gas e riscaldamento, " ha affermato Kidambi. La collaborazione è nata da una proposta di utenti sottoposti a revisione paritaria ed è finanziata dal Department of Energy (DOE).

"Alcune intuizioni che abbiamo ottenuto sono che la reazione procede attraverso la formazione di uno strato amorfo che successivamente evapora. Diversi bordi cristallografici portano a vari gradi di incisione e questo concorda bene con i calcoli teorici, " ha detto Kidambi.

La collaborazione per i calcoli teorici con due degli autori del paper, i ricercatori Jeevesh Kumar e Mayank Shrivastava dell'Indian Institute of Science di Bangalore, si è formata in una conferenza in cui Kidambi è stato invitato a tenere un discorso.

Il team mira a sintetizzare film atomicamente sottili di fosforo nero utilizzando la deposizione chimica da vapore, e le conoscenze sull'ossidazione possono essere utilizzate per sviluppare tecniche di passivazione efficaci.