Een Koreaans team van wetenschappers stemt de bandgap van zwarte fosfor af om een ​​superieure geleider te vormen. waardoor de toepassing in massa kan worden geproduceerd voor elektronische en opto-elektronische apparaten.

Het onderzoeksteam van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH), verbonden aan het Institute for Basic Science's (IBS) Center for Artificial Low Dimensional Electronic Systems (CALDES), rapporteerde een afstembare band gap in BP, het effectief modificeren van het halfgeleidende materiaal in een unieke toestand van materie met anisotrope dispersie. Dit onderzoeksresultaat maakt mogelijk grote flexibiliteit mogelijk bij het ontwerp en de optimalisatie van elektronische en opto-elektronische apparaten zoals zonnepanelen en telecommunicatielasers.

Om de betekenis van de bevindingen van het team echt te begrijpen, het is essentieel om de aard van tweedimensionale (2-D) materialen te begrijpen, en daarvoor moet je teruggaan naar 2010, toen de wereld van 2D-materialen werd gedomineerd door een simpele dunne laag koolstof, een gelaagde vorm van koolstofatomen geconstrueerd om op honingraat te lijken, grafeen genoemd. Grafeen werd wereldwijd aangekondigd als een wondermateriaal dankzij het werk van twee Britse wetenschappers die de Nobelprijs voor de natuurkunde wonnen voor hun onderzoek ernaar.

Grafeen is extreem dun en heeft opmerkelijke eigenschappen. Het is sterker dan staal en toch vele malen lichter, geleidend dan koper en flexibeler dan rubber. Al deze eigenschappen samen maken het een geweldige geleider van warmte en elektriciteit. Een defectvrije laag is bovendien ondoordringbaar voor alle atomen en moleculen. Deze samensmelting maakt het een buitengewoon aantrekkelijk materiaal om toe te passen op wetenschappelijke ontwikkelingen op een groot aantal verschillende gebieden, zoals elektronica, ruimtevaart en sport. Voor al zijn oogverblindende belofte is er echter een nadeel; grafeen heeft geen band gap.

Opstapjes naar een unieke staat

De band gap van een materiaal is fundamenteel voor het bepalen van de elektrische geleidbaarheid. Stel je twee rivierovergangen voor, een met dicht opeengepakte stapstenen, en de andere met grote openingen tussen stenen. De eerste is veel gemakkelijker te doorkruisen omdat een sprong tussen twee dicht opeengepakte stenen minder energie vereist. Een bandgap is vrijwel hetzelfde; hoe kleiner de opening, hoe efficiënter de stroom over het materiaal kan bewegen en hoe sterker de stroom.

Grafeen heeft een band gap van nul in zijn natuurlijke staat, echter, en gedraagt ​​zich dus als een dirigent; het halfgeleiderpotentieel kan niet worden gerealiseerd omdat de geleidbaarheid niet kan worden uitgeschakeld, zelfs bij lage temperaturen. Dit verzwakt duidelijk zijn aantrekkingskracht als halfgeleider, omdat het uitschakelen van de geleidbaarheid een essentieel onderdeel is van de functie van een halfgeleider.

Geboorte van een revolutie

Fosfor is het vijftiende element in het periodiek systeem en geeft zijn naam aan een hele klasse verbindingen. Het zou zelfs als een archetype van de chemie zelf kunnen worden beschouwd. Zwarte fosfor is de stabiele vorm van witte fosfor en dankt zijn naam aan zijn kenmerkende kleur. zoals grafeen, BP is een halfgeleider en ook goedkoop in massaproductie. Het enige grote verschil tussen de twee is de natuurlijke band gap van BP, waardoor het materiaal zijn elektrische stroom aan en uit kan schakelen. Het onderzoeksteam testte op enkele lagen BP, fosforeen genaamd, een allotroop van fosfor.

Keun Su Kim, een beminnelijke professor gestationeerd bij POSTECH spreekt in snelle uitbarstingen bij het detailleren van het experiment, "We brachten elektronen over van het doteringsmiddel - kalium - naar het oppervlak van de zwarte fosfor, die de elektronen opsloot en ons in staat stelde deze toestand te manipuleren. Kalium produceert een sterk elektrisch veld en dat is wat we nodig hadden om de bandafstand af te stemmen."

Dit proces van elektronenoverdracht staat bekend als doping en veroorzaakte een gigantisch Stark-effect, die de band gap afstemde waardoor de valentie- en geleidende banden dichter bij elkaar konden komen, effectief de band gap verlagen en drastisch veranderen naar een waarde tussen 0,0 ~ 0,6 elektron Volt (eV) van de oorspronkelijke intrinsieke waarde van 0,35 eV. Professor Kim legde uit, "Grafeen is een semi-metaal van Dirac. Het is efficiënter in zijn natuurlijke staat dan zwarte fosfor, maar het is moeilijk om de band gap te openen, daarom hebben we de band gap van BP afgestemd om te lijken op de natuurlijke staat van grafeen, een unieke toestand van materie die verschilt van conventionele halfgeleiders."

Het potentieel voor deze nieuwe, verbeterde vorm van zwarte fosfor overtreft alles waar het Koreaanse team op had gehoopt, en zeer binnenkort zou het potentieel kunnen worden toegepast in verschillende sectoren, waaronder engineering, waar elektrotechnici de band gap kunnen aanpassen en ontwerpen kunnen maken met het exacte gewenste gedrag. De 2D-revolutie, het lijkt, is aangekomen en is hier voor de lange termijn.