I materiali bidimensionali potrebbero essere alla base di una nuova famiglia di materiali flessibili, dispositivi elettronici a bassa potenza, ma il loro successo dipende dall'assicurare che gli strati siano chimicamente stabili. I ricercatori di A*STAR ora mostrano che un materiale 2-D, fosforene, può essere stabilizzato con la giusta scelta del substrato e un campo elettrico.

Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, merita la sua reputazione di supermateriale; è forte, duro, leggero, ha eccellenti proprietà elettroniche e termiche. È l'archetipo del materiale 2-D. Più recentemente gli scienziati hanno creato singoli strati di altri materiali:stagno, germanio, boro, silicio e fosforo, con le loro proprietà distintive. Per esempio, mentre il grafene è un semimetallo senza band gap, il fosforene è un semiconduttore come il silicio, che lo rende utile per i dispositivi elettronici. Però, il fosforene ha un noto inconveniente:il materiale si ossida all'aria e la sua qualità si degrada rapidamente.

Alla ricerca di un approccio praticabile per superare questo problema, Junfeng Gao e colleghi dell'A*STAR Institute of High Performance Computing utilizzano calcoli dei primi principi per dimostrare che posizionare il fosforene su un substrato di diseleniuro di molibdeno e applicare un campo elettrico verticale può aumentare drasticamente la sua resistenza all'ossidazione.

"L'interazione e il trasferimento di carica tra substrato e fosforene possono essere regolati da un campo elettrico esterno, causando un cambiamento nell'attività superficiale e sopprimendo l'ossidazione del fosforene, " spiega Gao.

Il loro studio mostra che il processo dominante coinvolto nella degradazione del fosforene nell'aria è l'assorbimento di ossigeno. La rapida ossidazione del fosforene autoportante in condizioni ambientali è dovuta a una barriera a bassa energia per l'assorbimento dell'ossigeno di circa 0,57 elettronvolt:l'ossidazione può avvenire in meno di un minuto.

Quando questa analisi viene ripetuta con fosforene sovrastante diseleniuro di molibdeno, la barriera energetica è molto più alta. Anche, il modello mostra che la presenza del substrato di diseleniuro di molibdeno consente una più efficace sintonizzazione delle proprietà del fosforene con un campo elettrico. Ciò aumenta ulteriormente la barriera energetica di ossidazione. Sotto un opportuno campo elettrico verticale, la barriera può aumentare fino a 0,91 elettronvolt. Questa durata del fosforene contro l'ossidazione può essere 105 volte maggiore di quella senza trattamento.

L'approccio di Gao per ottenere un fosforene stabile all'aria può promuovere notevolmente il suo utilizzo in dispositivi pratici. "Esploreremo più substrati per la loro capacità di stabilizzare il fosforene, "dice Gao. "In particolare, vogliamo scoprire se un tale substrato è adatto per la crescita epitassiale del fosforene".