(Phys.org) —I difetti danneggiano le proprietà ideali di molti materiali bidimensionali, come il grafene a base di carbonio. Il fosforo si limita a scrollare le spalle.

Ciò lo rende un candidato promettente per applicazioni nanoelettroniche che richiedono proprietà stabili, secondo una nuova ricerca del fisico teorico della Rice University Boris Yakobson e dei suoi colleghi.

In un articolo sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere , il team di Rice ha analizzato le proprietà dei legami elementari tra atomi di fosforo semiconduttori in fogli 2-D. Il fosforo bidimensionale non è teorico; è stato recentemente creato tramite esfoliazione dal fosforo nero.

I ricercatori hanno confrontato i loro risultati con dicalcogenuri metallici 2-D come il bisolfuro di molibdeno; questi composti metallici sono stati considerati anche per l'elettronica a causa delle loro proprietà semiconduttive intrinseche. Nei dicalcogenuri incontaminati, gli atomi dei due elementi si alternano di pari passo. Ma ovunque due atomi dello stesso elemento si legano, creano un difetto puntuale. Pensalo come un disturbo temporaneo nella forza che potrebbe rallentare gli elettroni, ha detto Yakobson.

I semiconduttori sono l'elemento base dell'elettronica moderna che dirigono e controllano il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso un circuito. Ma quando un disturbo approfondisce una banda proibita, il semiconduttore è meno stabile. Quando regna il caos sotto forma di difetti puntuali multipli o bordi di grano, dove i fogli di un materiale 2-D si fondono ad angoli, costringendo come atomi a legarsi, i materiali diventano molto meno utili.

I calcoli del laboratorio Yakobson mostrano che il fosforo non ha questo problema. Anche quando esistono difetti puntuali o bordi di grano, le proprietà semiconduttive del materiale sono stabili. Come il grafene perfetto, ma a differenza del grafene imperfetto, si comporta come previsto.

Guarda il fosforo 2-D dall'alto e sembra grafene, nitruro di boro o altri dicalcogenuri, con le sue file di esagoni. Ma in un angolo, il fosforo rivela la sua vera forma, come atomi alternati sporgono dalla matrice. Questa complessità dà luogo a più variazioni tra i difetti, ha detto Yakobson.

"Poiché il fosforo 2-D ha un solo tipo di elemento, i suoi difetti non contengono legami "sbagliati" etero-elementali, " ha detto Yuanyue Liu, il primo autore del documento e un alunno di Rice, ora ricercatore post-dottorato presso il National Renewable Energy Laboratory. "Questi legami non intrappolerebbero o ricombinerebbero elettroni o lacune.

"Questa è una buona proprietà per l'applicazione nelle celle solari, " ha detto. "Il fosforo bidimensionale potrebbe essere potenzialmente utilizzato per raccogliere la luce solare, poiché il suo gap di banda si adatta bene allo spettro solare." A differenza degli assorbitori convenzionali, Egli ha detto, la presenza di difetti non deteriorerebbe le prestazioni del materiale.

I ricercatori mostrano anche che potrebbe essere possibile sintonizzare le proprietà elettroniche del fosforo 2-D alterandolo (ovvero drogandolo) con atomi estranei. Questo dovrebbe essere utile per i produttori di elettronica, ha detto Yakobson. Il carbonio e lo zinco possono aumentare la conduttività positiva, mentre il potassio può aumentare la conduttività negativa; i ricercatori ritengono che il fosforo possa essere un materiale anodico promettente per le batterie.

Infatti, Il fosforo 2-D ha più in comune con il silicio tridimensionale, l'elemento più comune nell'elettronica dei semiconduttori come i chip per computer. Come nel fosforo 2-D, i bordi dei grani nel silicio non causano cambiamenti nel gap di banda. Però, i difetti puntuali nel silicio possono modificarne le proprietà, a differenza dei difetti puntuali nel fosforo.

Ciò suggerisce che anche il fosforo 2-D potrebbe essere un candidato per l'elettronica ad alte prestazioni. Infatti, Liu ha detto, diversi rapporti sperimentali hanno già dimostrato che può essere un transistor migliore dei dicalcogenuri metallici 2-D.

The researchers noted that phosphorus is abundant and black phosphorus can be made relatively easily, but phosphorus reacts slowly with oxygen. To make it practical for daily applications, it has to be well-sealed, ha detto Liu.