Tvådimensionella material skulle kunna underbygga en ny familj av flexibla, elektroniska enheter med låg effekt, men deras framgång beror på att skikten är kemiskt stabila. A*STAR-forskare visar nu att ett 2D-material, fosforen, kan stabiliseras med rätt val av underlag och ett elektriskt fält.

grafen, ett enda lager av kolatomer, förtjänar sitt rykte som ett supermaterial; det är starkt, hård, ljus, har utmärkta elektroniska och termiska egenskaper. Det är det arketypiska 2D-materialet. På senare tid har forskare skapat enstaka lager av andra material - tenn, germanium, bor, kisel och fosfor — med sina egna signaturegenskaper. Till exempel, medan grafen är en halvmetall utan ett bandgap, fosforen är en halvledare som kisel, vilket gör det användbart för elektroniska enheter. Dock, Fosforen har en ökänd nackdel:materialet oxideras i luften och dess kvalitet försämras snabbt.

På jakt efter ett hållbart tillvägagångssätt för att övervinna detta, Junfeng Gao och kollegor från A*STAR Institute of High Performance Computing använder första principberäkningar för att visa att placering av fosforen på ett molybdendiselenidsubstrat och applicering av ett vertikalt elektriskt fält kan drastiskt öka dess motståndskraft mot oxidation.

"Interaktionen och laddningsöverföringen mellan substrat och fosforen kan stämmas av ett externt elektriskt fält, orsakar en förändring i ytaktivitet och undertrycker oxidationen av fosforen, " förklarar Gao.

Deras studie visar att den dominerande processen som är involverad i nedbrytningen av fosforen i luft är absorptionen av syre. Den snabba oxidationen av fristående fosforen under omgivande förhållanden beror på en lågenergibarriär för syreabsorption på cirka 0,57 elektronvolt:oxidation kan ske på mindre än en minut.

När denna analys upprepas med fosforen som ligger över molybdendiselenid, energibarriären är mycket högre. Också, modellen visar att närvaron av molybdendiselenidsubstratet möjliggör mer effektiv avstämning av fosforens egenskaper med ett elektriskt fält. Detta ökar oxidationsenergibarriären ytterligare. Under ett lämpligt vertikalt elektriskt fält, barriären kan öka till 0,91 elektronvolt. Denna livslängd för fosforen mot oxidation kan vara 105 gånger längre än den utan behandling.

Gaos tillvägagångssätt för att uppnå luftstabil fosforen kan i hög grad främja dess användning i praktiska anordningar. "Vi kommer att utforska fler substrat för deras förmåga att stabilisera fosforen, " säger Gao. "Särskilt, vi vill ta reda på om ett sådant substrat är lämpligt för epitaxiell tillväxt av fosfor."