Войти
Объемный черный фосфор состоит из нескольких листов фосфора Фосфорен представляет собой двухмерный материал, состоящий из из фосфора. Он состоит из одного слоя искусственно созданного слоистого черного фосфора, наиболее устойчивого аллотропа фосфора. Обозначение фосфорен было введено по аналогии с обозначением графена как однослойного графита. Среди двумерных материалов фосфорен оказался сильным конкурентом графена, потому что, в отличие от графена, фосфорен имеет отличную от нуля фундаментальную запрещенную зону , которая, кроме того, может модулироваться деформацией и числом слоев в стопке. Фосфорен был впервые выделен в 2014 году путем механического расслоения.
В 1914 году черный фосфор, слоистый полупроводниковый аллотроп фосфора, был синтезирован. Было показано, что этот аллотроп демонстрирует высокую подвижность носителей. В 2014 году несколько групп выделили однослойный фосфор, монослой черного фосфора. Он привлек новое внимание из-за его потенциала в оптоэлектронике и электронике из-за его запрещенной зоны, которую можно настраивать, изменяя ее толщину, анизотропные фотоэлектронные свойства и высокую подвижность носителей. Первоначально фосфорен был получен с использованием механического расщепления, широко используемого метода производства графена, который трудно масштабировать. Жидкая эксфолиация - многообещающий метод масштабируемого производства фосфора.
Микросколотый синтез фосфора на основе скотча 
Синтез фосфора на основе жидкого отшелушивания 
Структура фосфора: (а) вид под наклоном, (б) вид сбоку, (в) вид сверху. Красные (синие) шары представляют атомы фосфора в нижнем (верхнем) слое. Синтез фосфорена представляет собой серьезную проблему. В настоящее время существует два основных способа производства фосфора: микродискретирование на основе скотча и жидкое отшелушивание, а также разрабатываются несколько других методов. Сообщается также о производстве фосфора в результате плазменного травления.
При микрорасщеплении на основе скотча фосфорен механически отслаивается от основной массы кристаллов черного фосфора с помощью скотча. Затем фосфорен переносят на подложку Si / SiO 2, где затем его очищают ацетоном, изопропиловым спиртом и метанолом для удаления любых остатков скотча. Затем образец нагревают до 180 ° C для удаления остатков растворителя.
В методе жидкого отшелушивания, впервые описанном Brent et al. в 2014 году и модифицированный другими, объемный черный фосфор сначала измельчается в ступке и пестике, а затем обрабатывается ультразвуком в дезоксигенированных безводных органических жидкостях, таких как NMP, в инертной атмосфере с использованием обработки ультразвуком в ванне с малой мощностью. Затем суспензии центрифугируют в течение 30 минут, чтобы отфильтровать нерасширенный черный фосфор. В результате двухмерный монослой и несколько слоев фосфора неокисляются и имеют кристаллическую структуру, в то время как воздействие воздуха окисляет фосфор и производит кислоту.
Другой вариант жидкого отшелушивания - это «жидкое отшелушивание с основным N-метил-2-пирролидоном (NMP). ». Объемный черный фосфорен добавляют к насыщенному раствору NaOH / NMP, который дополнительно обрабатывают ультразвуком в течение 4 часов для проведения жидкого отшелушивания. Затем раствор центрифугируют дважды: сначала в течение 10 минут для удаления любого нерасширенного черного фосфора, а затем в течение 20 минут на более высокой скорости для отделения толстых слоев фосфора (5–12 слоев) от NMP. Затем супернатант снова центрифугируют на более высокой скорости в течение еще 20 минут, чтобы отделить более тонкие слои фосфора (1–7 слоев). Затем осадок после центрифугирования повторно диспергируют в воде и несколько раз промывают деионизированной водой. Раствор фосфорен / вода капают на кремний с 280 нм поверхностью SiO 2, где он дополнительно сушится в вакууме. Было показано, что метод жидкой эксфолиации NMP дает фосфорен с регулируемым размером и количеством слоев, отличной водостойкостью и высоким выходом.
Недостатком существующих методов является длительное время обработки ультразвуком, растворители с высокой точкой кипения и низкая эффективность. Поэтому другие физические методы жидкого отшелушивания все еще находятся в стадии разработки. Метод с использованием лазера, разработанный Чжэном и его коллегами, показал многообещающую доходность до 90% в течение 5 минут. Фотон лазера взаимодействует с поверхностью объемного кристалла черного фосфора, в результате чего плазма и пузырьки растворителя ослабляют межслоевое взаимодействие. В зависимости от энергии лазера, растворителя (этанол, метанол, гексан и т. Д.) И времени облучения контролировали количество слоев и поперечный размер фосфорена.
Отшелушивание черного фосфора в жидкости с помощью лазера. Многие группы компаний, работающих с растворителями, продемонстрировали высокий выход фосфора, но для реализации потенциальных возможностей применения этого материала крайне важно наносить эти свободно стоящие нанолисты в растворителях систематически на подложках. H. Kaur et al. продемонстрировали синтез, управляемое интерфейсом выравнивание и последующие функциональные свойства многослойного полупроводникового фосфора с использованием сборки Ленгмюра-Блоджетт. Это первое исследование, которое обеспечивает простое и универсальное решение проблемы сборки нанолистов из фосфора на различных подложках и последующего использования этих листов в электронном устройстве. Таким образом, методы мокрой сборки, такие как методы Ленгмюра-Блоджетт, служат очень ценной новой отправной точкой для исследования электронных, а также оптоэлектронных свойств фосфора, а также других двумерных слоистых неорганических материалов.
Прямое эпитаксиальное выращивание 2D-фосфора по-прежнему является проблемой, поскольку стабильность черного фосфорена очень чувствительна к субстрату, что подтверждается теоретическим моделированием.
Электронная микрофотография вида сверху фосфора Фосфорен 2D-материалы состоят из отдельных слоев, удерживаемых вместе силами Ван-дер-Ваальса вместо ковалентной или ионные связи, которые встречаются в большинстве материалов. На 3p-орбиталях атома фосфора находятся пять электронов, что приводит к sp гибридизации атома фосфора в структуре фосфора. Однослойный фосфорен демонстрирует структуру четырехугольной пирамиды, потому что три электрона атома P связываются с тремя другими атомами P ковалентно при 2,18 Å, оставляя одну неподеленную пару. Два атома фосфора находятся в плоскости слоя под углом 99 ° друг от друга, а третий атом фосфора находится между слоями под углом 103 °, что дает средний угол 102 °.
Согласно расчетам теории функционала плотности (DFT), фосфорен образуется в сотовой решетчатой структуре с заметной непланарностью в форме структурных выступов. Предполагается, что кристаллическая структура черного фосфора может различаться под высоким давлением. В основном это связано с анизотропной сжимаемостью черного фосфора из-за асимметричных кристаллических структур. Впоследствии связь Ван-дер-Ваальса может быть сильно сжата в направлении оси z. Однако существует большая вариация сжимаемости в ортогональной плоскости x-y.
Сообщается, что регулирование центробежной скорости производства может помочь в регулировании толщины материала. Например, центрифугирование при 18000 об / мин во время синтеза дает фосфорен со средним диаметром 210 нм и толщиной 2,8 ± 1,5 нм (2–7 слоев).
AFM изображения многослойных листов фосфора, полученных ультразвуковой эксфолиацией черного фосфора в N-метил-2-пирролидоне и центрифугированием на SiO 2 / Si подложка. Фосфорен имеет зависящую от толщины прямую запрещенную зону, которая изменяется до 1,88 эВ в монослое с 0,3 эВ в объеме. Согласно прогнозам, увеличение ширины запрещенной зоны в однослойном фосфорене будет вызвано отсутствием межслойной гибридизации вблизи верха валентности и дна зоны проводимости. Ярко выраженный пик с центром около 1,45 эВ указывает на то, что структура запрещенной зоны в мало- или однослойном фосфоре отличается от массивных кристаллов.
В вакууме или на слабой подложке очень интересная реконструкция с нанотрубками на конце края фосфора. Это легко сделать, превратив край фосфора из металлического в полупроводниковый.
AFM образца из нескольких слоев фосфора, непрерывно взятого в течение 7 дней. Фосфорен реагирует с кислородом и водой, образуя пузырьки жидкой фазы. Одним из основных недостатков фосфорена является его ограниченная стабильность на воздухе. Состоящий из гигроскопичного фосфора и с чрезвычайно высоким отношением поверхности к объему , фосфорен реагирует с водяным паром и кислородом при помощи видимого света и разлагается в течение нескольких часов. В процессе разложения фосфорен (твердый) реагирует с кислородом / водой, образуя жидкую фазу кислоту «пузырьки» на поверхности, и, наконец, испаряется (пар), чтобы полностью исчезнуть (разложение SBV) и серьезно ухудшить общее качество.
Исследователи изготовили транзисторы из фосфора, чтобы проверить его работу в реальных устройствах. Транзистор на основе фосфора состоит из канала размером 1,0 мкм и использует несколько слоев фосфора с толщиной от 2,1 до более 20 нм. Наблюдается уменьшение общего сопротивления при уменьшении напряжения затвора, что указывает на характеристику фосфора p-типа. Линейное соотношение ВАХ транзистора при низком смещении стока предполагает хорошие контактные свойства на границе раздела фосфор / металл. Наблюдалось хорошее насыщение по току при высоких значениях смещения стока. Однако было замечено, что подвижность малослойного фосфора снижается по сравнению с объемным черным фосфором. Полевая подвижность транзистора на основе фосфора показывает сильную зависимость от толщины, достигая максимума около 5 нм и неуклонно снижаясь с дальнейшим увеличением толщины кристалла.
Осаждение атомного слоя (ALD) диэлектрический слой и / или гидрофобный полимер используется в качестве инкапсулирующих слоев, чтобы предотвратить деградацию устройства и выход из строя. Сообщается, что фосфореновые устройства сохраняют свою функцию в течение нескольких недель с инкапсулирующим слоем, в то время как устройство выходит из строя в течение недели при воздействии внешних условий.
Исследователи также сконструировали инвертор CMOS (логическая схема) путем комбинирования фосфоренового PMOS транзистора с MoS 2NMOS транзистором, что обеспечивает высокую гетерогенную интеграцию полупроводниковых кристаллов фосфорена в качестве нового материала канала для потенциальных электронных приложений. В инверторе напряжение источника питания установлено равным 1 В. Выходное напряжение демонстрирует четкий переход от VDD к 0 в диапазоне входных напряжений от -10 до -2 В. Достигается максимальное усиление ~ 1,4.
Также были исследованы потенциальные применения смешанного двухслойного фосфора в материале для солнечных элементов. Прогнозируемая эффективность преобразования мощности для однослойного двухслойного фосфора с MoS 2 / AA и двухслойного фосфора с MoS 2 / AB может достигать ~ 18% и 16% соответственно.. Результаты показывают, что трехслойный фосфор MoS 2 является многообещающим кандидатом в гибких оптоэлектронных устройствах.
Иллюстрация гибких многослойных фосфореновых транзисторов с нижним затвором и гидрофобной диэлектрической инкапсуляции. 151>Электрические характеристики гибкого транзистора с черным фосфором, показывающего внутреннюю частоту отсечки 20 ГГц. Фосфорен является многообещающим кандидатом для гибких наносистем благодаря своей ультратонкой природе с идеальным электростатическим контролем и превосходной механической гибкостью. Исследователи продемонстрировали гибкие транзисторы, схемы и AM-демодулятор на основе небольшого количества слоев фосфора, демонстрирующие улучшенный биполярный транспорт с высокой подвижностью носителей при комнатной температуре до ~ 310 см / В · с и сильное насыщение по току. Реализованы принципиальные схемы, включающие цифровой инвертор, усилитель напряжения и удвоитель частоты. Радиочастотные (RF) транзисторы с самой высокой собственной частотой отсечки 20 ГГц были реализованы для потенциальных применений в высокочастотных гибких интеллектуальных наносистемах.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с фосфораном. |
