Как графен, только из фосфора

Учёные активно изучают возможности получения новых материалов, аналогичных графену, — состоящих из слоя вещества толщиной в один атом. Существенный прогресс в последнее время был продемонстрирован в получении фосфорена — материала, состоящего из одного слоя атомов фосфора.



Кристаллическая структура фосфорена (Credit: Han Liu et al.)

В январе этого года были опубликованы работы сразу двух независимых групп, американской и китайской, которым удалось значительно продвинуться в получении фосфорена. Получают фосфорен из так называемого 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. В работах, о которых идёт речь, чёрный фосфор был очищен 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.


Внешний вид чёрного фосфора (Credit: Theodore W. Gray)

Получение новых материалов, состоящих из одного слоя атомов различных веществ, стало в последние годы одним из заметных направлений в материаловедении. Учёные даже окрестили этот тренд «постграфеновой эрой».

Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, обладает уникальными свойствами, делающими его практически идеальным для использования в электронных устройствах. В частности, графен отличается исключительно высокой подвижностью электронов, то есть хорошо проводит электричество, а также тепло. Проблема заключается в том, что в графене отсутствует так называемая запрещённая зона — интервал энергий, которые электрону иметь запрещено. Наличие такой зоны крайне желательно, поскольку она является основой всей современной полупроводниковой электроники, позволяя создавать такие важнейшие элементы, как диоды и транзисторы.

Именно поэтому активно идут поиски веществ с высокой подвижность электронов, и одновременно с наличием запрещённой зоны. Поскольку высокая электропроводность графена во многом связана с его двумерной, плоской структурой, то и новые материалы ищут среди тех веществ, которые способны образовать двумерную сетку. В июле 2013 года путём численного моделирования удалось обнаружить 92 кандидата в такие материалы, но их экспериментальное получение оказалось связанным с большим количеством сложностей.

Как и графен, фосфорен состоит из шестиугольников, но не является полностью плоским — некоторые атомы находятся чуть выше плоскости, другие — чуть ниже. 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 (Credit: Likai Li et al.)

Несмотря на то что достичь толщины в один слой, то есть получить чистый фосфорен, пока не удалось, учёные полны оптимизма. Например, было показано, что даже в полученных образцах скорость движения электронов сравнима с другим кандидатом в «постграфены» — дисульфидом молибдена, состоящим из атомов серы и молибдена. При этом наличие в структуре фосфорена 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, обладающий и высокой подвижностью электронов, и запрещённой зоной, но предсказанный только в 2013 год и пока никем не полученный.

Общей проблемой всех обсуждаемых материалов является их нестабильность. На воздухе они начинают активно окисляться и быстро разрушаются. Специальные уловки, которыми удалось стабилизировать силицен в 2012 году, все равно 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 требуется помещать 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.

При подготовке текста использованы материалы Nature News.

Источник: habrahabr.ru/post/212045/