Як графен, тільки фосфор.

Вчені активно вивчають можливість отримання нових матеріалів, схожих на графен, що складаються з шару речовини однієї атомової товщини. Значний прогрес нещодавно продемонстрував при отриманні фосфору, матеріал, що складається з одного шару атомів фосфору.



Кристалічна структура фосфору (Credit: Han Liu та ін.)

У січні цього року було опубліковано роботу двох незалежних груп, американських та китайських, які вдалося істотно завоювати виробництво фосфору. Фосфорен виходить з так званого чорного фосфору, шарований матеріал, схожий на графіт, з якого виходить графен. Чорний фосфор відомий з 1960-х років, але це не до 2013 року, які спробували ізолювати окремий шар. У роботах, що стосуються чорного фосфору, очищається від товщини двох до трьох атомних шарів. Цікаво, як з першим виробництвом графена в 2004 році використовується банальна липка стрічка для видалення зайвих шарів.


Зовнішній вигляд чорного фосфору (Кредит: Теодор В. Сірий)

Виробництво нових матеріалів, що складаються з одного шару атомів різних речовин, стало одним з найбільш помітних площ в матеріалах науки за останні роки. Вчені навіть занурили цю тенденцію «Поштунова епоха».

Графен, єдиний шар вуглецевих атомів, має унікальні властивості, які роблять його практично ідеальним для використання в електронних пристроях. Зокрема, графен відрізняється винятково високою мобільністю електронів, тобто забезпечує електроенергетику, а також тепло. Проблема в тому, що в графені немає так званої зони – інтервал енергій, які електрон заборонено мати. Наявність такої зони дуже бажана, оскільки це основа сучасної напівпровідникової електроніки, що дозволяє створювати такі важливі елементи як діоди і транзистори.

Саме тому існує активний пошук речовин з високою мобільністю електронів, а також при наявності заборонених зон. Оскільки висока електрична провідність графена значною мірою обумовлена його двовимірною, плоскою структурою, нові матеріали затребувані серед тих речовин, які можуть сформувати двовимірну сітку. У липні 2013 р. було виявлено 92 кандидатів на такі матеріали через чисельне моделювання, але їх експериментальне отримання було пов’язане з великою кількістю труднощів.

Як графен, фосфорен складається з шестигранних, але не зовсім плоских – деякі атоми просто над площиною, інші просто нижче. Це, однак, трохи уповільнює електрони у порівнянні з графеном. При цьому фосфор має заборонену зону, що дозволяє проводити струм або не в різних умовах.
Р

Ще одна ілюстрація кристалової структури фосфору (Кредит: Likai Li та ін.)

Незважаючи на те, що ще не вдалося досягти товщини одного шару, тобто для отримання чистого фосфору, вчені повністю оптимізують. Наприклад, було показано, що навіть у отриманих зразках швидкість електронів порівняно з іншим кандидатом на «постцени» – молібден дісульфат, що складається з сірки та молібденових атомів. При цьому наявність в структурі фосфорних атомів тільки однієї речовини - фосфор - не два, робить новий матеріал більш привабливим з точки зору простоти виготовлення.

Фосфорне не єдиний аналог графена, який складається з однокласних атомів. Раніше вдалося отримати моноатомні шари силікону і німецько-германину. Обидві ці матеріали мають більш високу електропровідність, ніж фосфор, але, як графен, не мають розриву смуги. Теоретично, більш цікавим кандидатом є Станен, моноатомний олов'яний шар, який має високу електромобільну рухливість і заборонена зона, але був прогнозований тільки в 2013 році і ще не був отриманий ким-небудь.

Обговорена проблема всіх матеріалів – їх нестійкість. У повітрі вони починають активно окислювати і швидко руйнувати. Особливі рекомендації, які вдалося стабілізувати силікон в 2012 році, ще не дозволяють використовувати цей матеріал в реальних пристроях. Фосфорне має бути більш стійким, ніж його конкуренти, але його виробництво складніше: для отримання чорної модифікації фосфату високої чистоти вимагає розміщення під величезними тиском. Процес подальшого видалення шарів ще не оптимізований.

У будь-якому випадку, дуже можливість отримання двовимірного матеріалу з забороною зоною є досить привабливим для продовження досліджень в цій області, а потенційний комерційний успіх обіцяє покривати будь-які витрати часу.

У підготовці тексту використані матеріали про природні новини.

Джерело: habrahabr.ru/post/212045/