Två år sedan, Northwestern Universitys Mark Hersam upptäckte ett sätt att stabilisera exfolierad svart fosfor - eller fosforen - en skiktad halvledare som bryts kemiskt ned i fria luften men som visar mycket lovande för elektronik. Genom att kapsla in den i aluminiumoxid, han kunde stabilisera fosforens reaktivitet mot syre och vatten.

"Problemet är att nu är fosforen begravd under aluminiumoxidbeläggningen, vilket begränsar vad vi kan göra med det, sa Hersam, Walter P. Murphy Professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. "Skulle det inte vara bättre om vi kunde stabilisera fosforen utan att täppa till dess yta?"

Hersam och hans team har gjort just det.

Genom att använda organisk kemi för att kovalent reagera ett enda molekyltjockt lager på fosforen, teamet gav i praktiken samma passivering som det uppnådde med aluminium redan 2014. Men den här gången är lagret tillräckligt tunt för att lämna åtkomst till materialets yta.

"Om det kommer att vara användbart för applikationer som sensorer, sedan måste det du vill upptäcka för att kunna interagera med materialet, " Sa Hersam. "Det tjocka lagret av aluminiumoxid hindrade alla atmosfäriska arter från att nå fosforytan, så den kunde inte användas som detektor."

Med stöd av Office of Naval Research och Department of Energy, forskningen beskrivs online den 2 maj, 2016 års nummer av tidskriften Naturkemi . Christopher Ryder, en doktorand i Hersams laboratorium, fungerade som tidningens första författare. Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff professor i katalytisk kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences och professor i materialvetenskap och teknik, och George Schatz, Charles E. och Emma H. ​​Morrison professor i kemi och professor i kemi och biologisk teknik, var också medförfattare till tidningen.

På senare år har Fosforen har fångat uppmärksamheten som en kraftfull halvledare med hög potential för användning i tunna, flexibel elektronik. Dess instabilitet i friluft, dock, har hindrat den från att testas i möjliga tillämpningar, som transistorer, optoelektronik, sensorer, eller till och med batterier. Nu visar det sig att de kovalent bundna, enmolekyltjockt lager kan till och med öka fosforens värde för användning i dessa applikationer. Teamet upptäckte att inte bara skiktet förhindrar att fosforen bryts ned, men det förbättrar också dess elektroniska egenskaper.

"Kemin påverkade flödet av laddning genom fosforen, " sa Hersam. "Vi uppnådde en förbättring av laddarens rörlighet, som är relaterad till transistorns hastighet, och hur väl den växlar i en integrerad krets."

Nu när Hersams team har skapat en stabil version av fosforen, det planerar att utforska dessa potentiella tillämpningar. Nästa steg är att skapa optimerade enheter baserade på fosforen och jämföra dem med enheter tillverkade av alternativa material.

"Vi kan föreställa oss många möjligheter, Hersam sa. "Framtiden kommer att lära oss exakt var fosfor har en konkurrensfördel."