Tweedimensionale materialen zouden een nieuwe familie van flexibele, elektronische apparaten met laag vermogen, maar hun succes hangt af van het verzekeren dat de lagen chemisch stabiel zijn. A*STAR-onderzoekers laten nu zien dat één 2-D materiaal, fosforeen, kan worden gestabiliseerd met de juiste substraatkeuze en een elektrisch veld.

grafeen, een enkele laag koolstofatomen, verdient zijn reputatie als supermateriaal; het is sterk, moeilijk, licht, heeft uitstekende elektronische en thermische eigenschappen. Het is het archetypische 2D-materiaal. Meer recent hebben wetenschappers enkele lagen van andere materialen gemaakt:tin, germanium, boor, silicium en fosfor - met hun eigen kenmerkende eigenschappen. Bijvoorbeeld, terwijl grafeen een semi-metaal is zonder bandgap, fosforeen is een halfgeleider zoals silicium, waardoor het nuttig is voor elektronische apparaten. Echter, fosforeen heeft een berucht nadeel:het materiaal oxideert in de lucht en de kwaliteit gaat snel achteruit.

Op zoek naar een haalbare aanpak om dit te ondervangen, Junfeng Gao en collega's van het A*STAR Institute of High Performance Computing gebruiken eerste-principe berekeningen om aan te tonen dat het plaatsen van fosforeen op een molybdeendiselenidesubstraat en het aanbrengen van een verticaal elektrisch veld de weerstand tegen oxidatie drastisch kan verhogen.

"De interactie en ladingsoverdracht tussen substraat en fosforeen kan worden afgestemd door een extern elektrisch veld, het veroorzaken van een verandering in oppervlakteactiviteit en het onderdrukken van de oxidatie van fosforeen, " legt Gao uit.

Hun studie toont aan dat het dominante proces dat betrokken is bij de afbraak van fosforeen in lucht de absorptie van zuurstof is. De snelle oxidatie van vrijstaande fosforeen in omgevingsomstandigheden is te danken aan een lage energiebarrière voor zuurstofabsorptie van ongeveer 0,57 elektronvolt:oxidatie kan in minder dan een minuut plaatsvinden.

Wanneer deze analyse wordt herhaald met fosforeen dat over molybdeendiselenide ligt, de energiebarrière is veel hoger. Ook, het model laat zien dat de aanwezigheid van het molybdeendiselenidesubstraat een effectievere afstemming van de eigenschappen van het fosforeen met een elektrisch veld mogelijk maakt. Dit verhoogt de oxidatie-energiebarrière nog verder. Onder een geschikt verticaal elektrisch veld, de barrière kan oplopen tot 0,91 elektronvolt. Deze levensduur van het fosforeen tegen oxidatie kan 105 keer groter zijn dan die zonder behandeling.

Gao's benadering om luchtstabiel fosforeen te bereiken, kan het gebruik ervan in praktische apparaten enorm bevorderen. "We zullen meer substraten onderzoeken op hun vermogen om fosforeen te stabiliseren, "zegt Gao. "In het bijzonder, we willen weten of zo'n substraat geschikt is voor epitaxiale groei van fosforeen."