Ett koreanskt team av forskare ställer in svart fosforbandgap för att bilda en överlägsen konduktör, tillåter att applikationen massproduceras för elektroniska och optoelektroniska enheter.

Forskargruppen från Pohang University of Science and Technology (POSTECH), ansluten till Institute for Basic Science (IBS) Center for Artificial Low Dimensional Electronic Systems (CALDES), rapporterade ett avstämbart bandgap i BP, effektivt modifiera det halvledande materialet till ett unikt tillstånd av materia med anisotropisk dispersion. Detta forskningsresultat möjliggör möjlig stor flexibilitet vid design och optimering av elektroniska och optoelektroniska enheter som solpaneler och telekommunikationslasrar.

För att verkligen förstå betydelsen av teamets resultat, det är viktigt att förstå karaktären hos tvådimensionella (2-D) material, och för det måste man gå tillbaka till 2010 då världen av 2-D-material dominerades av ett enkelt tunt kolark, en skiktad form av kolatomer konstruerade för att likna honungskaka, kallas grafen. Graphene kallades globalt som ett underverk tack vare arbetet från två brittiska forskare som vann Nobelpriset för fysik för sin forskning om det.

Grafen är extremt tunn och har anmärkningsvärda egenskaper. Det är starkare än stål men många gånger lättare, mer ledande än koppar och mer flexibel än gummi. Alla dessa egenskaper tillsammans gör det till en enorm ledare för värme och elektricitet. Ett defektfritt skikt är också ogenomträngligt för alla atomer och molekyler. Denna sammanslagning gör det till ett fruktansvärt attraktivt material att applicera på vetenskaplig utveckling inom en mängd olika områden, som elektronik, flyg och sport. För alla dess bländande löfte finns det dock en nackdel; grafen har inget bandgap.

Stepping Stones till en unik stat

Ett materials bandgap är grundläggande för att bestämma dess elektriska konduktivitet. Tänk dig två flodkorsningar, en med hårt packade stenar, och den andra med stora luckor mellan stenarna. Den förstnämnda är mycket lättare att passera eftersom ett hopp mellan två tätt packade stenar kräver mindre energi. Ett bandgap är ungefär detsamma; ju mindre gapet desto mer effektivt kan strömmen röra sig över materialet och desto starkare är strömmen.

Grafen har ett bandgap på noll i sitt naturliga tillstånd, dock, och fungerar så som en konduktör; halvledarpotentialen kan inte realiseras eftersom konduktiviteten inte kan stängas av, även vid låga temperaturer. Detta späd uppenbarligen dess överklagande som en halvledare, eftersom avstängning av konduktivitet är en viktig del av en halvledares funktion.

Födelsen av en revolution

Fosfor är det femtonde elementet i det periodiska systemet och ger sitt namn till en hel klass av föreningar. Det kan faktiskt betraktas som en arketyp av kemi i sig. Svart fosfor är den stabila formen av vit fosfor och har fått sitt namn från sin distinkta färg. Som grafen, BP är en halvledare och dessutom billig att massproducera. Den enda stora skillnaden mellan de två är BP:s naturliga bandgap, så att materialet kan slå på och stänga av sin elektriska ström. Forskargruppen testade på några lager av BP som kallas fosforen som är en allotrop av fosfor.

Keun Su Kim, en älskvärd professor stationerad vid POSTECH talar i snabba skurar när han beskriver experimentet, "Vi överförde elektroner från dopmedlet - kalium - till ytan av den svarta fosforen, som begränsade elektronerna och tillät oss att manipulera detta tillstånd. Kalium producerar ett starkt elektriskt fält vilket är vad vi krävde för att justera storleken på bandgapet. "

Denna process för överföring av elektroner är känd som dopning och inducerade en jätte Stark -effekt, som stämde bandgapet så att valens och ledande band kunde röra sig närmare varandra, effektivt sänka bandgapet och drastiskt ändra det till ett värde mellan 0,0 ~ 0,6 elektronvolt (eV) från dess ursprungliga egenvärde på 0,35 eV. Professor Kim förklarade, "Grafen är en Dirac -halvmetall. Det är mer effektivt i sitt naturliga tillstånd än svart fosfor men det är svårt att öppna bandgapet; därför stämde vi in ​​BP:s bandgap för att likna det naturliga tillståndet för grafen, ett unikt tillstånd av materia som skiljer sig från konventionella halvledare. "

Potentialen för denna nya förbättrade form av svart fosfor är över allt det koreanska laget hoppades på, och mycket snart kan det potentiellt tillämpas på flera sektorer, inklusive teknik där elektriska ingenjörer kan justera bandgapet och skapa konstruktioner med det exakta beteendet som önskas. 2-D-revolutionen, det verkar, har kommit och är här i längden.