(Phys.org) —Defekter skadar de ideala egenskaperna hos många tvådimensionella material, som kolbaserad grafen. Fosfor bara rycker på axlarna.

Det gör den till en lovande kandidat för nanoelektroniska applikationer som kräver stabila egenskaper, enligt ny forskning av Rice Universitys teoretiska fysiker Boris Yakobson och hans kollegor.

I en artikel i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver , Rice-teamet analyserade egenskaperna hos elementarbindningar mellan halvledande fosforatomer i 2D-ark. Tvådimensionell fosfor är inte teoretisk; den skapades nyligen genom exfoliering från svart fosfor.

Forskarna jämförde sina resultat med 2D-metalldikalkogenider som molybdendisulfid; dessa metallföreningar har också övervägts för elektronik på grund av deras inneboende halvledande egenskaper. I orörda dikalkogenider, atomer av de två elementen alternerar i låssteg. Men varhelst två atomer av samma element binder, de skapar en punktdefekt. Se det som en tillfällig störning i kraften som kan bromsa elektroner, sa Yakobson.

Halvledare är grundelementet i modern elektronik som styr och styr hur elektroner rör sig genom en krets. Men när en störning fördjupar ett bandgap, halvledaren är mindre stabil. När kaos råder i form av flera punktdefekter eller korngränser – där ark av ett 2D-material smälter samman i vinklar, tvingar som atomer att binda – materialen blir mycket mindre användbara.

Yakobson-labbets beräkningar visar att fosfor inte har något sådant problem. Även när punktdefekter eller korngränser finns, materialets halvledande egenskaper är stabila. Som perfekt grafen - men till skillnad från imperfekt grafen - fungerar den som förväntat.

Se 2D-fosfor från ovan och det ser ut som grafen, bornitrid eller andra dikalkogenider, med dess rader av hexagoner. Men i en vinkel, fosfor avslöjar sin sanna form, som alternativa atomer sticker ut ur matrisen. Denna komplexitet ger upphov till fler variationer mellan defekterna, sa Yakobson.

"Eftersom 2D-fosfor bara har en typ av grundämne, dess defekter innehåller inte hetero-elementala "fel" bindningar, sa Yuanyue Liu, tidningens första författare och en Rice-alumn, nu postdoktor vid National Renewable Energy Laboratory. "Dessa bindningar skulle inte fånga eller rekombinera elektroner eller hål.

"Detta är en bra egenskap för användning i solceller, ", sa han. "Två-D-fosfor skulle potentiellt kunna användas för att skörda solljus, eftersom dess bandgap passar bra med solspektrumet." Till skillnad från konventionella absorbatorer, han sa, förekomsten av defekter skulle inte försämra materialets prestanda.

Forskarna visar också att det kan vara möjligt att justera de elektroniska egenskaperna hos 2D-fosfor genom att ändra (aka dopa) det med främmande atomer. Detta borde vara av värde för elektroniktillverkare, sa Yakobson. Kol och zink kan öka positiv ledningsförmåga, medan kalium kan öka negativ ledningsförmåga; forskarna tror att fosfor kan vara ett lovande anodmaterial för batterier.

Faktiskt, 2D-fosfor har mer gemensamt med tredimensionellt kisel, det vanligaste elementet i halvledande elektronik som datorchips. Som i 2D-fosfor, korngränser i kisel orsakar inte bandgap-förändringar. Dock, punktdefekter i kisel kan ändra dess egenskaper, till skillnad från punktdefekter i fosfor.

Detta tyder på att 2D-fosfor också kan vara en kandidat för högpresterande elektronik. Faktiskt, Liu sa, flera experimentella rapporter har redan visat att det kan vara en bättre transistor än 2-D metalldikalkogenider.

The researchers noted that phosphorus is abundant and black phosphorus can be made relatively easily, but phosphorus reacts slowly with oxygen. To make it practical for daily applications, it has to be well-sealed, sa Liu.