Black Phosphorus: Fødslen af ​​et nyt vidundermateriale

I de sidste par år er todimensionelle krystaller dukket op som nogle af de mest spændende nye materialer at lege med. Som følge heraf er materialeforskere faldet over sig selv for at opdage de ekstraordinære egenskaber ved grafen, bornitrid, molybdændisulfid og så videre.

En sen-kommer til denne gruppe er sort fosfor, hvor fosfor atomer går sammen for at danne et todimensionalt rynket ark. Sidste år byggede forskere en felteffekttransistor af sort fosfor og viste, at den klarede sig bemærkelsesværdigt godt. Denne forskning antydede, at sort fosfor kunne have en lys fremtid i nanoelektroniske enheder.

Men der er et problem. Sort fosfor er svært at lave i store mængder. I dag siger Damien Hanlon på Trinity College Dublin i Irland og en række venner, at de har løst dette problem.

Disse fyre har perfektioneret en måde at lave store mængder af sorte fosfor nanoark med dimensioner, som de kan kontrollere. Og de har brugt denne nyfundne evne til at teste sort fosfor i en række nye applikationer, såsom en gassensor, en optisk kontakt og endda til at forstærke kompositmaterialer for at gøre dem stærkere.

I bulkform er sort fosfor lavet af mange lag, som grafit. Så en måde at adskille enkeltark på er ved eksfoliering, blot at pille lagene af ved hjælp af scotch tape eller andre materialer. Det er en tidskrævende opgave, der i høj grad begrænser potentielle anvendelser.

Så Hanlon og co har leget med en anden tilgang. Deres metode er at placere den sorte fosforklump i et flydende opløsningsmiddel og derefter bombardere den med akustiske bølger, der ryster materialet fra hinanden.

Resultatet er, at bulkmassen adskilles i et stort antal nanoark, som holdet filtrerer efter størrelse ved hjælp af en centrifuge. Det efterlader højkvalitets nanoark, der kun består af et par lag. Flydende fase eksfoliering er en kraftfuld teknik til at producere nanoark i meget store mængder, siger de.

Et potentielt problem med sorte fosfor nanoark er, at de nedbrydes hurtigt, når de kommer i kontakt med vand eller ilt. Så et af de fremskridt, holdet har gjort, er at forudsige, at visse opløsningsmidler skulle danne en solvatiseringsskal rundt om arket, som forhindrer ilt eller andre oxidative stoffer i at nå fosforet.

Holdet bruger N-cyclohexyl-2-pyrrolidon eller CHP som opløsningsmiddel, og på grund af dette er nanoarkene overraskende langlivede.

Den store fordel ved sort fosfor i forhold til grafen er, at det har et naturligt båndgab, som fysikere kan udnytte til at lave elektroniske enheder, såsom transistorer. Men Hanlon og co siger, at den nyfundne tilgængelighed af sorte fosfor-nanoark har givet dem mulighed for også at teste en række andre ideer.

For eksempel tilføjede de nanopladerne til en film af polyvinylchlorid, og fordoblede derved dens styrke og seksdoblede dens trækstyrke. Så det er ikke kun kulstof-allotroper, der kan øge styrken!

De bestemte også den ikke-lineære optiske respons af nanoarkene på en pulserende laser ved at måle mængden af ​​lys, der transmitteres. Det viser sig, at mængden af ​​lys sort fosfor absorberer falder i takt med at intensiteten stiger, en egenskab kendt som mættelig absorption. Hvad mere er, sort fosfor er bedre til dette selv end grafen.

Til sidst målte de strømmen gennem nanopladerne, mens de udsatte dem for ammoniak. De fandt ud af, at materialets modstand steg, når det kom i kontakt med ammoniak, sandsynligvis fordi ammoniak donerer elektroner, der neutraliserer huller i de sorte fosforplader.

Det gør umiddelbart sort fosfor til en anstændig ammoniakdetektor. Hanlon og co siger, at materialet kunne detektere ammoniak i niveauer på omkring 80 dele pr.

Alt dette kunne markere et interessant skridt i forskningen forbundet med sort fosfor. Mange mennesker vil have set spændingen forbundet med grafens bemærkelsesværdige egenskaber. Hvis sort fosfor er halvt så bemærkelsesværdigt, burde der være en interessant fremtid for materialeforskere.

Ref: arxiv.org/abs/1501.01881 : Flydende eksfoliering af opløsningsmiddelstabiliseret sort fosfor: applikationer ud over elektronik

skjule