Czarny fosfor: narodziny nowego cudownego materiału

W ciągu ostatnich kilku lat dwuwymiarowe kryształy stały się jednymi z najbardziej ekscytujących nowych materiałów do zabawy. W rezultacie naukowcy zajmujący się materiałami przewracali się, aby odkryć niezwykłe właściwości grafenu, azotku boru, dwusiarczku molibdenu i tak dalej.

Późnym przedstawicielem tej grupy jest czarny fosfor, w którym atomy fosforu łączą się, tworząc dwuwymiarową pofałdowaną warstwę. W zeszłym roku naukowcy zbudowali tranzystor polowy z czarnego fosforu i wykazali, że działa on wyjątkowo dobrze. Badania te sugerują, że czarny fosfor może mieć świetlaną przyszłość w urządzeniach nanoelektronicznych.

Ale jest problem. Czarny fosfor jest trudny do wytworzenia w dużych ilościach. Dzisiaj Damien Hanlon z Trinity College Dublin w Irlandii i kilku kumpli twierdzą, że rozwiązali ten problem.

Ci faceci udoskonalili sposób wytwarzania dużych ilości nanoarkuszy czarnego fosforu o wymiarach, które mogą kontrolować. Wykorzystali tę nowo odkrytą zdolność do testowania czarnego fosforu w wielu nowych zastosowaniach, takich jak czujnik gazu, przełącznik optyczny, a nawet do wzmacniania materiałów kompozytowych w celu ich wzmocnienia.

W postaci sypkiej czarny fosfor składa się z wielu warstw, podobnie jak grafit. Tak więc jednym ze sposobów na oddzielenie pojedynczych arkuszy jest złuszczanie, po prostu odrywając warstwy za pomocą taśmy samoprzylepnej lub innych materiałów. Jest to czasochłonne zadanie, które poważnie ogranicza potencjalne zastosowania.

Więc Hanlon i spółka bawili się innym podejściem. Ich metoda polega na umieszczeniu czarnej grudki fosforu w ciekłym rozpuszczalniku, a następnie bombardowaniu jej falami akustycznymi, które wstrząsają materiałem.

W rezultacie masa luzem rozdziela się na dużą liczbę nanoarkuszy, które zespół filtruje pod kątem rozmiaru za pomocą wirówki. To pozostawia wysokiej jakości nanoarkusze składające się tylko z kilku warstw. Mówią, że złuszczanie w fazie ciekłej to potężna technika wytwarzania nanoarkuszy w bardzo dużych ilościach.

Jednym z potencjalnych problemów z nanoarkuszami z czarnego fosforu jest to, że ulegają one szybkiemu rozkładowi w kontakcie z wodą lub tlenem. Tak więc jednym z postępów, jakie poczynił zespół, jest przewidywanie, że niektóre rozpuszczalniki powinny utworzyć powłokę solwatacyjną wokół arkusza, która zapobiega przedostawaniu się tlenu lub innych substancji utleniających do fosforu.

Zespół używa N-cykloheksylo-2-pirolidonu lub CHP jako rozpuszczalnika iz tego powodu nanoarkusze są zaskakująco długowieczne.

Dużą przewagą czarnego fosforu nad grafenem jest to, że ma on naturalną przerwę wzbronioną, którą fizycy mogą wykorzystać do wytwarzania urządzeń elektronicznych, takich jak tranzystory. Ale Hanlon i współpracownicy twierdzą, że nowo odkryta dostępność nanoarkuszy z czarnym fosforem pozwoliła im przetestować również wiele innych pomysłów.

Na przykład dodali nanoarkusze do folii z polichlorku winylu, podwajając w ten sposób jej wytrzymałość i sześciokrotnie zwiększając wytrzymałość na rozciąganie. Więc nie tylko alotropy węgla mogą zwiększyć siłę!

Określili także nieliniową odpowiedź optyczną nanoarkuszy na impulsowy laser, mierząc ilość przepuszczanego światła. Okazuje się, że ilość absorbowanego jasnego czarnego fosforu zmniejsza się wraz ze wzrostem intensywności, co jest właściwością znaną jako absorpcja nasycenia. Co więcej, czarny fosfor jest w tym lepszy nawet niż grafen.

Na koniec zmierzyli prąd przepływający przez nanoarkusze, wystawiając je na działanie amoniaku. Odkryli, że opór materiału wzrastał, gdy wszedł w kontakt z amoniakiem, prawdopodobnie dlatego, że amoniak przekazuje elektrony, które neutralizują dziury w czarnych warstwach fosforu.

To natychmiast sprawia, że ​​czarny fosfor jest przyzwoitym detektorem amoniaku. Hanlon i spółka twierdzą, że materiał może wykryć amoniak na poziomie około 80 części na miliard.

Wszystko to może oznaczać ciekawą, skokową zmianę w badaniach związanych z czarnym fosforem. Wiele osób widziało podekscytowanie związane z niezwykłymi właściwościami grafenu. Jeśli czarny fosfor jest o połowę mniej niezwykły, naukowcom zajmującym się materiałami powinna być ciekawa przyszłość.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1501.01881 : Płynne złuszczanie czarnego fosforu stabilizowanego rozpuszczalnikiem: zastosowania poza elektroniką

ukryć