Zwarte fosfor is een kristallijn materiaal dat steeds meer onderzoeksinteresse krijgt van ingenieurs van halfgeleiderapparaten, scheikundigen en materiaalwetenschappers om atomair dunne films van hoge kwaliteit te maken.

Vanuit het perspectief van een 2D gelaagd materiaal, zwarte fosfor is veelbelovend voor toepassingen in flexibele elektronica van de volgende generatie die vooruitgang in halfgeleiders mogelijk zou kunnen maken, medische beeldvorming, nachtzicht en optische communicatienetwerken.

Als een toekomstige grafeen- en siliciumvervanger, het heeft uitstekende eigenschappen zoals afstembare bandgap, waaraan grafeen ontbreekt. een bandkloof, een energieband waarin geen elektronentoestanden kunnen bestaan, is essentieel voor het creëren van de aan/uit-stroom van elektronen die nodig zijn in digitale logica en voor het genereren van fotonen voor LED's en lasers.

Helaas, zwarte fosfor is moeilijk te maken en moeilijk te houden. Het wordt snel afgebroken bij blootstelling aan lucht. Waarom dit gebeurt en de exacte mechanismen waardoor het gebeurt - of zuurstof of vocht in de lucht of beide worden afgebroken - blijven een onderwerp van actief debat in de onderzoeksgemeenschap.

Vanderbilt-ingenieursonderzoekers hebben voor het eerst aangetoond dat de reactie van zwarte fosfor tot zuurstof op atomaire schaal kan worden waargenomen met behulp van in-situ-transmissie-elektronenmicroscopie (TEM).

De resultaten worden gerapporteerd in hun paper, " Visualisatie van oxidatiemechanismen in weinig gelaagde zwarte fosfor via in situ transmissie-elektronenmicroscopie, " in de American Chemical Society's Toegepaste materialen en interfaces logboek.

"In onderzoek, er bestaan ​​vaak verschillende en vaak tegenstrijdige hypothesen in de wetenschappelijke gemeenschap. Echter, het vermogen om een ​​reactie met atomaire resolutie in realtime waar te nemen, biedt de broodnodige duidelijkheid om vooruitgang te boeken. We gebruiken de inzichten van onze in-situ TEM-experimenten met atomaire resolutie in ons laboratorium om nieuwe synthese- en conserveringsmethoden voor zwarte fosfor te ontwikkelen, " zei Piran Kidambi, assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering.

"De huidige benaderingen hebben gekeken naar het inkapselen ervan met een oxide- of polymeerlaag zonder echt te begrijpen waarom of hoe de oxidatie verloopt, " zei Andrew E. Naclerio, tweedejaars student aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering en de eerste auteur van het artikel.

"Het meeste begrip van zwarte fosforoxidatie is gebaseerd op resultaten van spectroscopische sondes, " zei Kidambi, Naclerio's adviseur. In samenwerking met Dmitri Zakharov, stafwetenschapper bij Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, het team gebruikte omgevingstransmissie-elektronenmicroscopie (ETEM), die real-time in-situ observatie biedt van structurele informatie over een monster en reactie bij atomaire resolutie.

"Dit is een van de weinige microscopen in de Verenigde Staten en de wereld met de mogelijkheid om beeldvorming met atomaire resolutie uit te voeren terwijl gassen en verwarming worden geïntroduceerd, " zei Kidambi. De samenwerking is voortgekomen uit een peer-reviewed gebruikersvoorstel en wordt gefinancierd door het Department of Energy (DOE).

"Enkele inzichten die we verkregen waren dat de reactie verloopt via de vorming van een amorfe laag die vervolgens verdampt. Verschillende kristallografische randen leiden tot verschillende gradaties van etsen en dit komt goed overeen met theoretische berekeningen, ' zei Kidambi.

De samenwerking voor theoretische berekeningen met twee van de auteurs van het artikel, onderzoekers Jeevesh Kumar en Mayank Shrivastava van het Indian Institute of Science in Bangalore, werd gevormd op een conferentie waar Kidambi was uitgenodigd om een ​​lezing te geven.

Het team streeft ernaar om atomair dunne films van zwarte fosfor te synthetiseren met behulp van chemische dampafzetting, en inzichten over oxidatie kunnen worden gebruikt om effectieve passiveringstechnieken te ontwikkelen.