Due anni fa, Mark Hersam della Northwestern University ha scoperto un modo per stabilizzare il fosforo nero esfoliato, o fosforene, un semiconduttore a strati che si degrada chimicamente all'aria aperta ma mostra grandi promesse per l'elettronica. Incapsulandolo in ossido di alluminio, è stato in grado di stabilizzare la reattività del fosforene all'ossigeno e all'acqua.

"Il problema è che ora il fosforene è sepolto sotto il rivestimento di ossido di alluminio, che limita ciò che possiamo fare con esso, " disse Hersam, Walter P. Murphy Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. "Non sarebbe meglio se potessimo stabilizzare il fosforene senza occluderne la superficie?"

Hersam e il suo team hanno fatto proprio questo.

Usando la chimica organica per far reagire covalentemente uno strato di una singola molecola sul fosforene, il team ha effettivamente impartito la stessa passivazione ottenuta con l'allumina nel 2014. Ma questa volta lo strato è abbastanza sottile da lasciare accesso alla superficie del materiale.

"Se sarà utile per applicazioni come sensori, quindi qualunque cosa tu voglia rilevare deve essere in grado di interagire con il materiale, " ha detto Hersam. "Lo spesso strato di ossido di alluminio ha impedito a qualsiasi specie atmosferica di raggiungere la superficie del fosforene, quindi non poteva essere usato come rivelatore."

Supportato dall'Ufficio di Ricerca Navale e dal Dipartimento dell'Energia, la ricerca è descritta online nel 2 maggio, Numero 2016 della rivista Chimica della natura . Christopher Ryder, uno studente laureato nel laboratorio di Hersam, servito come primo autore del documento. Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff Professore di chimica catalitica al Weinberg College of Arts and Sciences e professore di scienza e ingegneria dei materiali, e George Schatz, il Charles E. e Emma H. ​​Morrison Professore di Chimica e professore di ingegneria chimica e biologica, anche co-autore del documento.

Negli ultimi anni, il fosforene ha catturato l'attenzione come un potente semiconduttore con un alto potenziale per l'uso in sottili, elettronica flessibile. La sua instabilità all'aria aperta, però, ha impedito che venisse testato in possibili applicazioni, come i transistor, optoelettronica, sensori, o anche batterie. Ora si scopre che il legame covalente, lo strato di una singola molecola potrebbe persino aumentare il valore del fosforene per l'uso in queste applicazioni. Il team ha scoperto che non solo lo strato impedisce la degradazione del fosforene, ma ma migliora anche le sue proprietà elettroniche.

"La chimica ha influenzato il flusso di carica attraverso il fosforene, " Hersam ha detto. "Abbiamo ottenuto un miglioramento nella mobilità della carica, che è legato alla velocità del transistor, e quanto bene si commuta in un circuito integrato."

Ora che il team di Hersam ha creato una versione stabile del fosforene, prevede di esplorare queste potenziali applicazioni. Il passo successivo è creare dispositivi ottimizzati basati sul fosforene e confrontarli con dispositivi realizzati con materiali alternativi.

"Possiamo immaginare molte possibilità, "Hersam ha detto. "Il futuro ci insegnerà esattamente dove il fosforene ha un vantaggio competitivo".