(Phys.org) —Defecten beschadigen de ideale eigenschappen van veel tweedimensionale materialen, zoals op koolstof gebaseerd grafeen. Fosfor haalt gewoon zijn schouders op.

Dat maakt het een veelbelovende kandidaat voor nano-elektronische toepassingen die stabiele eigenschappen vereisen, volgens nieuw onderzoek door theoretisch fysicus Boris Yakobson en zijn collega's van Rice University.

In een artikel in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters , het Rice-team analyseerde de eigenschappen van elementaire bindingen tussen halfgeleidende fosforatomen in 2D-platen. Tweedimensionaal fosfor is niet theoretisch; het is onlangs gemaakt door afschilfering van zwarte fosfor.

De onderzoekers vergeleken hun bevindingen met 2-D metaaldichalcogeniden zoals molybdeendisulfide; deze metaalverbindingen zijn ook overwogen voor elektronica vanwege hun inherente halfgeleidende eigenschappen. In ongerepte dichalcogeniden, atomen van de twee elementen wisselen elkaar af in lockstep. Maar waar twee atomen van hetzelfde element binden, ze creëren een puntdefect. Zie het als een tijdelijke verstoring in de kracht die elektronen zou kunnen vertragen, zei Yakobson.

Halfgeleiders zijn het basiselement van moderne elektronica die sturen en regelen hoe elektronen door een circuit bewegen. Maar wanneer een storing een band gap vergroot, de halfgeleider is minder stabiel. Wanneer chaos heerst in de vorm van meerdere puntdefecten of korrelgrenzen - waar vellen van een 2D-materiaal onder hoeken samenvloeien, dwingen als atomen om te binden - de materialen worden veel minder bruikbaar.

De berekeningen van het Yakobson-lab laten zien dat fosfor niet zo'n probleem heeft. Zelfs wanneer puntdefecten of korrelgrenzen bestaan, de halfgeleidende eigenschappen van het materiaal zijn stabiel. Net als perfect grafeen, maar in tegenstelling tot imperfect grafeen, presteert het zoals verwacht.

Bekijk 2-D fosfor van bovenaf en het lijkt op grafeen, boornitride of andere dichalcogeniden, met zijn rijen zeshoeken. Maar onder een hoek fosfor onthult zijn ware vorm, als alternatieve atomen steken uit de matrix. Deze complexiteit geeft aanleiding tot meer variaties tussen de defecten, zei Yakobson.

"Omdat 2-D fosfor maar één type element heeft, de defecten bevatten geen hetero-elementaire 'verkeerde' bindingen, " zei Yuanyue Liu, de eerste auteur van de krant en een Rice-alumnus, nu een postdoctoraal onderzoeker bij het National Renewable Energy Laboratory. "Deze bindingen zouden geen elektronen of gaten vangen of recombineren.

"Dit is een goede eigenschap voor toepassing in zonnecellen, " zei hij. "Twee-D-fosfor kan mogelijk worden gebruikt om zonlicht te oogsten, omdat de bandafstand goed overeenkomt met het zonnespectrum." In tegenstelling tot conventionele absorbers, hij zei, de aanwezigheid van defecten zou de prestaties van het materiaal niet verslechteren.

De onderzoekers laten ook zien dat het mogelijk is om de elektronische eigenschappen van 2-D fosfor af te stemmen door het te veranderen (ook wel doping genoemd) met vreemde atomen. Dit zou waardevol moeten zijn voor elektronicafabrikanten, zei Yakobson. Koolstof en zink kunnen de positieve geleidbaarheid verhogen, terwijl kalium de negatieve geleidbaarheid kan verhogen; de onderzoekers denken dat fosfor een veelbelovend anodemateriaal voor batterijen kan zijn.

In feite, 2-D fosfor heeft meer gemeen met driedimensionaal silicium, het meest voorkomende element in halfgeleidende elektronica zoals computerchips. Net als bij 2-D fosfor, korrelgrenzen in silicium veroorzaken geen bandgap-veranderingen. Echter, puntdefecten in silicium kunnen de eigenschappen ervan veranderen, in tegenstelling tot puntdefecten in fosfor.

Dit suggereert dat 2-D fosfor ook een kandidaat zou kunnen zijn voor hoogwaardige elektronica. In feite, Liu zei, verschillende experimentele rapporten hebben al aangetoond dat het een betere transistor kan zijn dan 2-D-metaaldichalcogeniden.

De onderzoekers merkten op dat fosfor overvloedig aanwezig is en dat zwarte fosfor relatief gemakkelijk kan worden gemaakt, maar fosfor reageert langzaam met zuurstof. To make it practical for daily applications, it has to be well-sealed, zei Liu.