Meer dan 100 jaar geleden ontdekt, zwarte fosfor werd snel vergeten toen er geen duidelijk nut voor was. In wat misschien wel een van de grote comebackverhalen van de elektrotechniek blijkt te zijn, het staat nu een cruciale rol te spelen in de toekomst van elektronische en opto-elektronische apparaten.

Met de recente ontdekking van een onderzoeksteam, het materiaal zou mogelijk silicium kunnen vervangen als het primaire materiaal voor elektronica. Het onderzoek van het team, geleid door Fengnian Xia, Yale's Barton L. Weller universitair hoofddocent in techniek en wetenschap, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie 19 april.

Met silicium als halfgeleider, de zoektocht naar steeds kleinere elektronische apparaten zou binnenkort zijn limiet kunnen bereiken. Met een dikte van slechts enkele atoomlagen, echter, zwarte fosfor zou een nieuwe generatie kleinere apparaten kunnen inluiden, flexibele elektronica, en snellere transistoren, zeggen de onderzoekers.

Dat komt door twee belangrijke eigenschappen. Een daarvan is dat zwarte fosfor een hogere mobiliteit heeft dan silicium - dat wil zeggen, de snelheid waarmee het een elektrische lading kan dragen. De andere is dat het een bandgap heeft, die een materiaal de mogelijkheid geeft om als schakelaar te fungeren; het kan in- en uitschakelen in de aanwezigheid van een elektrisch veld en fungeren als een halfgeleider. grafeen, een ander materiaal dat de afgelopen jaren veel belangstelling heeft gewekt, heeft een zeer hoge mobiliteit, maar het heeft geen bandgap.

Echter, het vinden van een manier om de bandgap van zwarte fosfor te beheersen is van cruciaal belang voor het realiseren van zijn potentiële toepassingen. Daartoe, de onderzoekers hebben ontdekt dat de bandgap van het materiaal bij een bepaalde dikte het best controleerbaar is. Door een verticaal elektrisch veld aan te leggen op het materiaal met die dikte, de onderzoekers kunnen de bandgap "afstemmen", in wezen verkleinen van de gematigde kloof tot het punt waarop het bijna sluit.

Dat opent veel potentiële toepassingen voor zwarte fosfor, zoals beeldvormingstools, nachtzichtapparaten, medio-infrarode optische modulatoren, on-chip spectroscopiehulpmiddelen, en andere opto-elektronische technologieën.

"Vóór deze studie, de bandgap van zwarte fosfor kon niet dynamisch worden afgestemd, haar toepassingen in de opto-elektronica beperken, " zei Bingchen Deng, hoofdauteur van de studie en een Ph.D. student in het lab van Xia.

Het vinden van de optimale dikte kostte wat vallen en opstaan. "Aanvankelijk, we probeerden een monster van 4 nanometer dik, en we ontdekten dat de bandgap-afstemming niet erg uitgesproken was, ' zei Deng.

Deng merkte ook op dat het hebben van een bandgap die kan worden gecontroleerd, betekent dat zwarte fosfor mogelijk kan worden gebruikt als een topologische isolator, een materiaal met het ongebruikelijke vermogen om zowel als isolator (in het materiaal) en als geleider (op het oppervlak) te dienen. Onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in topologische isolatoren, omdat ze de sleutel kunnen zijn tot de ontwikkeling van elektronica met een laag vermogen waarin elektronen aan het oppervlak geen last hebben van verstrooiing.