Svart fosfor är ett kristallint material som lockar ett växande forskningsintresse från ingenjörer från halvledare, kemister och materialvetare för att skapa högkvalitativa atomärt tunna filmer.

Ur perspektivet av ett 2D-lagermaterial, svart fosfor visar lovande för tillämpningar inom nästa generations flexibel elektronik som kan möjliggöra framsteg inom halvledare, medicinsk bildbehandling, mörkerseende och optiska kommunikationsnätverk.

Som en potentiell ersättning för grafen och kisel, den har enastående egenskaper som avstämbar bandgap, som grafen saknar. Ett bandgap, ett energiband där inga elektrontillstånd kan existera, är avgörande för att skapa på/av-flödet av elektroner som behövs i digital logik och för generering av fotoner för lysdioder och lasrar.

Tyvärr, svart fosfor är svårt att göra och svårt att hålla. Det bryts ner snabbt när det utsätts för luft. Varför detta händer och de exakta mekanismerna genom vilka det händer – oavsett om syre eller fukt i luften bryts ned eller båda – är fortfarande ett ämne för aktiv debatt i forskarvärlden.

Vanderbilts ingenjörsforskare har för första gången visat att reaktionen mellan svart fosfor och syre kan observeras i atomär skala med hjälp av in situ-transmission elektronmikroskopi (TEM).

Resultaten redovisas i deras tidning, "Visualisera oxidationsmekanismer i få-lagers svart fosfor via in situ transmissionselektronmikroskopi, " i American Chemical Society's Tillämpade material och gränssnitt tidning.

"I forskning, Det finns många gånger olika och ofta motsägelsefulla hypoteser inom det vetenskapliga samfundet. Dock, förmågan att observera en reaktion vid atomär upplösning i realtid ger välbehövlig klarhet för att driva framsteg. Vi använder insikterna från våra TEM-experiment på plats med atomupplösning i vårt labb för att utveckla nya syntes- och konserveringsmetoder för svart fosfor, sa Piran Kidambi, biträdande professor i kemi- och biomolekylär teknik.

"Nuvarande tillvägagångssätt har tittat på att kapsla in det med ett oxid- eller polymerskikt utan att riktigt förstå varför eller hur oxidationen fortsätter, sade Andrew E. Naclerio, andra året doktorand vid Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik och tidningens första författare.

"Mest förståelse för svart fosforoxidation har baserats på resultat från spektroskopiska sonder, sa Kidambi, Naclerios rådgivare. I samarbete med Dmitri Zakharov, personalforskare vid Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, teamet använde miljötransmissionselektronmikroskopi (ETEM), som ger realtidsobservation på plats av strukturell information om ett prov och reaktion vid atomupplösning.

"Detta är ett av få mikroskop i USA och världen med förmågan att utföra atomupplösningsavbildning samtidigt som man introducerar gaser och uppvärmning, " sa Kidambi. Samarbetet växte från ett referentgranskat användarförslag och finansieras av Department of Energy (DOE).

"Några insikter vi fick var att reaktionen fortskrider via bildandet av ett amorft lager som sedan avdunstar. Olika kristallografiska kanter leder till olika grader av etsning och detta stämmer väl överens med teoretiska beräkningar, sa Kidambi.

Samarbetet för teoretiska beräkningar med två av tidningens författare, forskare Jeevesh Kumar och Mayank Shrivastava vid Indian Institute of Science i Bangalore, bildades vid en konferens där Kidambi blev inbjuden att hålla ett föredrag.

Teamet syftar till att syntetisera atomärt tunna filmer av svart fosfor med hjälp av kemisk ångavsättning, och insikter om oxidation kan användas för att utveckla effektiva passiveringstekniker.