Upptäcktes för mer än 100 år sedan, svart fosfor glömdes snart bort när det inte fanns någon uppenbar användning för det. I vad som kan visa sig vara en av elektroteknikens stora comebackberättelser, den kommer nu att spela en avgörande roll i framtiden för elektroniska och optoelektroniska enheter.

Med en forskargrupps senaste upptäckt, materialet kan möjligen ersätta kisel som primärt material för elektronik. Teamets forskning, ledd av Fengnian Xia, Yales Barton L. Weller docent i teknik och vetenskap, publiceras i tidskriften Naturkommunikation 19 april.

Med kisel som halvledare, Jakten på allt mindre elektroniska enheter kan snart nå sin gräns. Med en tjocklek på bara några atomlager, dock, svart fosfor kan inleda en ny generation av mindre enheter, flexibel elektronik, och snabbare transistorer, säger forskarna.

Det beror på två nyckelegenskaper. En är att svart fosfor har en högre rörlighet än kisel – det vill säga, den hastighet med vilken den kan bära en elektrisk laddning. Den andra är att den har ett bandgap, vilket ger ett material förmågan att fungera som en switch; den kan slås på och stängas av i närvaro av ett elektriskt fält och fungera som en halvledare. grafen, ett annat material som har väckt stort intresse de senaste åren, har en mycket hög rörlighet, men det har inget bandgap.

Dock, Att hitta ett sätt att kontrollera bandgapet av svart fosfor är avgörande för att förverkliga dess potentiella tillämpningar. För detta ändamål, forskarna har upptäckt att materialets bandgap är mest kontrollerbart vid en viss tjocklek. Genom att applicera ett vertikalt elektriskt fält på materialet i den tjockleken, forskarna kan "justera" bandgapet, i huvudsak krymper det måttliga gapet till den punkt där det nästan sluter.

Det öppnar upp för många potentiella tillämpningar för svart fosfor, som bildverktyg, mörkerseende enheter, mellaninfraröda optiska modulatorer, on-chip spektroskopiverktyg, och andra optoelektroniska teknologier.

"Innan denna studie, bandgapet för svart fosfor kunde inte ställas in dynamiskt, begränsa dess tillämpningar inom optoelektronik, sa Bingchen Deng, huvudförfattare till studien och en Ph.D. student i Xias labb.

Att hitta den optimala tjockleken tog en del försök och misstag. "I början, vi provade ett 4 nanometer tjockt prov, och vi fann att bandgap-justeringen inte var särskilt uttalad, " sa Deng.

Deng noterade också att att ha ett bandgap som kan kontrolleras innebär att svart fosfor potentiellt kan användas som en topologisk isolator, ett material med den ovanliga förmågan att fungera som både en isolator (inuti materialet) och som en ledare (på dess yta). Forskare är särskilt intresserade av topologiska isolatorer, eftersom de kan vara nyckeln till att utveckla lågeffektelektronik där elektroner på ytan inte lider av spridning.