Twee jaar geleden, Mark Hersam van de Northwestern University ontdekte een manier om geëxfolieerde zwarte fosfor - of fosforeen - te stabiliseren, een gelaagde halfgeleider die chemisch degradeert in de open lucht maar veelbelovend is voor elektronica. Door het in te kapselen in aluminiumoxide, hij was in staat om de reactiviteit van fosforeen voor zuurstof en water te stabiliseren.

"Het probleem is dat nu het fosforeen begraven ligt onder de aluminiumoxidecoating, dat beperkt wat we ermee kunnen doen, " zei Hersam, Walter P. Murphy hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. "Zou het niet beter zijn als we fosforeen konden stabiliseren zonder het oppervlak ervan af te sluiten?"

Hersam en zijn team hebben precies dat gedaan.

Door organische chemie te gebruiken om een ​​enkel molecuul dikke laag covalent te laten reageren op fosforeen, het team zorgde voor dezelfde passivering die het in 2014 met aluminiumoxide bereikte. Maar deze keer is de laag dun genoeg om toegang te krijgen tot het oppervlak van het materiaal.

"Als het nuttig gaat zijn voor toepassingen zoals sensoren, dan moet alles wat je wilt detecteren in staat zijn om te interageren met het materiaal, "Zei Hersam. "De dikke laag aluminiumoxide verhinderde dat atmosferische soorten het fosforeenoppervlak bereikten, dus het kon niet worden gebruikt als een detector."

Ondersteund door het Office of Naval Research en het Department of Energy, het onderzoek wordt online beschreven in de 2 mei, 2016 nummer van het tijdschrift Natuurchemie . Christoffel Ryder, een afgestudeerde student in het laboratorium van Hersam, diende als de eerste auteur van het papier. Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff hoogleraar katalytische chemie aan het Weinberg College of Arts and Sciences en hoogleraar materiaalkunde en techniek, en George Schatz, de Charles E. en Emma H. ​​Morrison hoogleraar scheikunde en hoogleraar chemische en biologische engineering, was ook co-auteur van het artikel.

In recente jaren, fosforeen heeft de aandacht getrokken als een krachtige halfgeleider met een hoog potentieel voor gebruik in dunne, flexibele elektronica. Zijn instabiliteit in de open lucht, echter, heeft verhinderd dat het werd getest in mogelijke toepassingen, zoals transistoren, opto-elektronica, sensoren, of zelfs batterijen. Nu blijkt dat de covalent gebonden, een enkele molecuul dikke laag zou zelfs de waarde van fosforeen voor gebruik in deze toepassingen kunnen verhogen. Het team ontdekte dat de laag niet alleen de afbraak van fosforeen verhindert, maar het verbetert ook zijn elektronische eigenschappen.

"De chemie beïnvloedde de stroom van lading door fosforeen, "Zei Hersam. "We hebben een verbetering bereikt in laadmobiliteit, die gerelateerd is aan de snelheid van de transistor, en hoe goed het schakelt in een geïntegreerd circuit."

Nu het team van Hersam een ​​stabiele versie van fosforeen heeft gemaakt, het is van plan deze potentiële toepassingen te onderzoeken. De volgende stap is om geoptimaliseerde apparaten te maken op basis van fosforeen en deze te vergelijken met apparaten gemaakt met alternatieve materialen.

"We kunnen ons veel mogelijkheden voorstellen, "Zei Hersam. "De toekomst zal ons precies leren waar fosforeen een concurrentievoordeel heeft."