Введение
Фосфорин — это двумерный материал, состоящий из фосфора. Он представляет собой один слой чёрного фосфора, наиболее стабильной аллотропной модификации фосфора. Фосфорин аналогичен графену (однослойному графиту). Среди двумерных материалов фосфорин является конкурентом графена благодаря наличию ненулевой запрещенной зоны, которая может изменяться под воздействием деформации и в зависимости от числа слоёв в стопке. Фосфорин был впервые получен в 2014 году методом механического отшелушивания. Жидкостная эксфолиация представляет собой перспективный метод для масштабного производства фосфорена.
История
В 1914 году был синтезирован черный фосфор — слоистый полупроводниковый аллотроп фосфора. В 2014 году несколько исследовательских групп заинтересовались им благодаря его потенциалу в оптоэлектронике и электронике, обусловленному шириной запрещенной зоны, которую можно регулировать, изменяя его толщину, анизотропными фотоэлектронными свойствами и подвижностью носителей заряда. Фосфорен изначально получали методом механического отслаивания, широко используемым при производстве графена. В 2023 году сплавы фосфорена с арсеном продемонстрировали более высокую подвижность дырок, чем у чистого фосфорена, и обладали магнитными свойствами.
Синтез
Синтез фосфорена является значительной проблемой. В настоящее время существует два основных способа получения фосфорена: микроотщепление с использованием скотча.
В методе микроотщепления с использованием скотча была продемонстрирована перспективная производительность до 90% в течение 5 минут. Лазерный фотон взаимодействует с поверхностью объемного кристалла черного фосфора, вызывая образование плазмы и пузырьков растворителя, которые ослабляют межслойное взаимодействие. В зависимости от энергии лазера, используемого растворителя (этанол, метанол, гексан и т.д.) и времени облучения, контролировались количество слоев и латеральные размеры фосфорена. Высокопроизводительное получение фосфорена было продемонстрировано многими группами в растворителях, однако для реализации потенциальных применений этого материала крайне важно систематически осаждать эти свободно стоящие нанолисты из растворителей на подложки. H. Kaur и др. продемонстрировали синтез, выравнивание, управляемое межфазным взаимодействием, и последующие функциональные свойства нескольких слоев полупроводникового фосфорена с использованием метода Ленгмюра-Блоджетт. Это первое исследование, предлагающее простое и универсальное решение задачи сборки нанолистов фосфорена на различные подложки и последующего использования этих листов в электронных устройствах. Таким образом, методы влажной сборки, такие как Ленгмюра-Блоджетт, представляют собой ценную новую отправную точку для изучения электронных и оптоэлектронных свойств фосфорена, а также других двумерных слоистых неорганических материалов. Прямой эпитаксиальный рост двумерного фосфорена по-прежнему является сложной задачей, поскольку стабильность черного фосфорена сильно зависит от подложки, что подтверждается теоретическими расчетами.
Структура
Фосфорен обладает прямой запрещенной зоной, ширина которой зависит от толщины и изменяется от 0,3 эВ в объеме до 1,88 эВ в монослое.
Стабильность воздуха
Одним из основных недостатков фосфорена является его ограниченная стабильность на воздухе. Состоящий из гигроскопичного фосфора и обладающий чрезвычайно высоким отношением площади поверхности к объему, фосфорен реагирует с водяным паром и кислородом под воздействием видимого света, что приводит к его разложению в течение нескольких часов. В процессе разложения фосфорен (в твердом состоянии) реагирует с кислородом и водой, образуя на поверхности жидкие кислотные "пузыри", которые затем испаряются (в виде паров), полностью исчезая (S B V-деградация) и значительно ухудшая общее качество материала.
Электрод аккумулятора
Фосфорен считается перспективным материалом для анодов перезаряжаемых аккумуляторов, таких как литий-ионные. Межслоевое пространство обеспечивает хранение и транспорт ионов лития. Количество слоев и латеральный размер фосфорена влияют на стабильность и емкость анода. Фосфорен является перспективным кандидатом для гибких наносистем благодаря своей ультратонкой структуре, обеспечивающей идеальный электростатический контроль и превосходную механическую гибкость. Исследователи продемонстрировали гибкие транзисторы, схемы и АМ-демодулятор на основе нескольких слоев фосфора, демонстрируя улучшенный биполярный транспорт с высокой подвижностью носителей при комнатной температуре, достигающей ~310 см²/Вс, и выраженной насыщенностью тока. Реализованы базовые схемы, включая цифровой инвертор, усилитель напряжения и удвоитель частоты. Созданы радиочастотные (РЧ) транзисторы с максимальной внутренней граничной частотой 20 ГГц для потенциального применения в высокочастотных гибких интеллектуальных наносистемах.