Фосфорен — как графен, только из фосфора

Учёные активно изучают возможности получения материалов, аналогичных графену, — состоящих из слоя вещества толщиной в один атом. Существенный прогресс в последнее время был проделан в получении фосфорена — материала, аналогичного графену, но состоящего из атомов фосфора, а не углерода.

Кристаллическая структура фосфорена.
Кристаллическая структура фосфорена.

Одним из заметных направлений в материаловедении в последние годы стало получение материалов, состоящих их одного слоя атомов различных веществ. Учёные даже окрестили этот тренд «постграфеновой эрой». Так, я уже писал, о том, что путём численного моделирования удалось обнаружить 92 кандидата в аналоги графена. Экспериментальное получение таких материалов, однако, связано с большим количеством сложностей.

Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, обладает уникальными свойствами, в частности, исключительно высокой электропроводностью, делающими его практически идеальным для использования в электронных устройствах. Проблема заключается в том, что в графене отсутствует так называемая запрещённая зона — интервал энергий, в которых электрону находиться запрещено. Наличие же такой зоны крайне желательно, поскольку она является основой всей современной полупроводниковой электроники, позволяя создавать элементы с нелинейными характеристиками в первую очередь диоды и транзисторы.

Именно поэтому активно идут поиски веществ с высокой электропроводностью, но и наличием запрещённой зоны. Высокая электропроводность графена во многом связана с его двумерной, плоской структурой, поэтому и новые материалы ищут среди тех веществ, которые способны образовать двумерную сетку.

Фосфорен, как и графен, имеет гексагональную структуру, но не является полностью плоским. Это, однако, несильно замедляет электроны по сравнению с графеном. В то же время фосфор обладает запрещённой зоной, позволяющей ему в разных условиях то проводить ток, то нет.

Ещё одна иллюстрация кристаллической структуры фосфорена.
Ещё одна иллюстрация кристаллической структуры фосфорена.

Получают фосфорен из чёрного фосфора — слоистого материала, похожего на графит, из которого получают графен. Чёрный фосфор известен с 1960-х годов, но только в 2013 году начались попытки выделить из него отдельный слой.

Внешний вид чёрного фосфора.
Внешний вид чёрного фосфора.

В январе этого года были опубликованы работы сразу двух независимых групп, американской и китайской, которым удалось значительно продвинуться в получении фосфорена. Чёрный фосфор был очищен ими до толщины в два — три атомных слоя. Интересно, что, как и при первом получении графена в 2004 году, для снятия лишних слоёв использовалась банальная липкая лента.

Несмотря на то что достичь толщины в один слой, то есть получить чистый фосфорен, не удалось, учёные полны оптимизма. Например, было показано, что даже в полученных образцах скорость движения электронов сравнима с другим кандидатом в «постграфены» — дисульфидом молибдена. При этом наличие в структуре атомов только одного вещества — фосфора — а не двух, делает новый материал более привлекательным с точки зрения простоты изготовления.

Фосфорен не единственный аналог графена, состоящий из одного сорта атомов. Ранее удалось получить одноатомные слои кремния — силицен — и германия — германен. Оба эти материала обладают более высокой электропроводностью, чем фосфорен, но так же, как и графен, не имеют запрещённой зоны. Теоретически, более интересным кандидатом является станен — одноатомный слой олова, имеющий и высокую скорость электронов, и запрещённую зону, но предсказанный только в 2013 год и пока никем не полученный.

Общей проблемой всех обсуждаемых материалов является их нестабильность. При их помещении в воздушное пространство, они начинают активно взаимодействовать с кислородом и быстро разрушаются. В 2012 году специальными уловками удалось стабилизировать силицен, но они пока не позволяют использовать этот материал в реальных устройствах.

Фосфорен должен быть более стабильным, чем его конкуренты, но его производство сложнее: для получения чёрной модификации фосфор высокой чистоты помещают под огромные давления. Процесс дальнейшего снятия слоёв также пока не оптимизирован. В любом случае сама возможность получения двумерного материала с запрещённой зоной является достаточно привлекательной для продолжения исследований в этой области, а потенциальный коммерческий успех обещает покрыть любые временные затраты.


Эта статья в несколько другой редакции была изначально опубликована на Хабрахабре.

Источник: Phosphorene excites materials scientists : Nature News & Comment

comments powered by Disqus