Как графен, только из фосфора

Учёные активно изучают возможности получения новых материалов, аналогичных графену, — состоящих из слоя вещества толщиной в один атом. Существенный прогресс в последнее время был продемонстрирован в получении фосфорена — материала, состоящего из одного слоя атомов фосфора.
Кристаллическая структура фосфорена
Кристаллическая структура фосфорена (Credit: Han Liu et al.)

В январе этого года были опубликованы работы сразу двух независимых групп, американской и китайской, которым удалось значительно продвинуться в получении фосфорена. Получают фосфорен из так называемого чёрного фосфора — слоистого материала, похожего на графит, из которого получают графен. Чёрный фосфор известен с 1960-х годов, но только в 2013 году начались попытки выделить из него отдельный слой. В работах, о которых идёт речь, чёрный фосфор был очищен до толщины в два — три атомных слоя. Интересно, что, как и при первом получении графена в 2004 году, для снятия лишних слоёв использовалась банальная липкая лента.
Чёрный фосфор
Внешний вид чёрного фосфора (Credit: Theodore W. Gray)

Получение новых материалов, состоящих из одного слоя атомов различных веществ, стало в последние годы одним из заметных направлений в материаловедении. Учёные даже окрестили этот тренд «постграфеновой эрой».

Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, обладает уникальными свойствами, делающими его практически идеальным для использования в электронных устройствах. В частности, графен отличается исключительно высокой подвижностью электронов, то есть хорошо проводит электричество, а также тепло. Проблема заключается в том, что в графене отсутствует так называемая запрещённая зона — интервал энергий, которые электрону иметь запрещено. Наличие такой зоны крайне желательно, поскольку она является основой всей современной полупроводниковой электроники, позволяя создавать такие важнейшие элементы, как диоды и транзисторы.

Именно поэтому активно идут поиски веществ с высокой подвижность электронов, и одновременно с наличием запрещённой зоны. Поскольку высокая электропроводность графена во многом связана с его двумерной, плоской структурой, то и новые материалы ищут среди тех веществ, которые способны образовать двумерную сетку. В июле 2013 года путём численного моделирования удалось обнаружить 92 кандидата в такие материалы, но их экспериментальное получение оказалось связанным с большим количеством сложностей.

Как и графен, фосфорен состоит из шестиугольников, но не является полностью плоским — некоторые атомы находятся чуть выше плоскости, другие — чуть ниже. Это, однако, несильно замедляет электроны по сравнению с графеном. В то же время фосфор обладает запрещённой зоной, позволяющей ему в разных условиях то проводить ток, то нет.
image
Ещё одна иллюстрация кристаллической структуры фосфорена (Credit: Likai Li et al.)

Несмотря на то что достичь толщины в один слой, то есть получить чистый фосфорен, пока не удалось, учёные полны оптимизма. Например, было показано, что даже в полученных образцах скорость движения электронов сравнима с другим кандидатом в «постграфены» — дисульфидом молибдена, состоящим из атомов серы и молибдена. При этом наличие в структуре фосфорена атомов только одного вещества — фосфора, — а не двух, делает новый материал более привлекательным с точки зрения простоты изготовления.

Фосфорен не единственный аналог графена, состоящий из одного сорта атомов. Ранее удалось получить одноатомные слои кремния — силицен — и германия — германен. Оба эти материала обладают более высокой электропроводностью, чем фосфорен, но так же, как и графен, не имеют запрещённой зоны. Теоретически, более интересным кандидатом является станен — одноатомный слой олова, обладающий и высокой подвижностью электронов, и запрещённой зоной, но предсказанный только в 2013 год и пока никем не полученный.

Общей проблемой всех обсуждаемых материалов является их нестабильность. На воздухе они начинают активно окисляться и быстро разрушаются. Специальные уловки, которыми удалось стабилизировать силицен в 2012 году, все равно пока не позволяют использовать этот материал в реальных устройствах. Фосфорен должен быть более стабильным, чем его конкуренты, но его производство сложнее: для получения чёрной модификации фосфор высокой чистоты требуется помещать под огромные давления. Процесс дальнейшего снятия слоёв также пока не оптимизирован.

В любом случае сама возможность получения двумерного материала с запрещённой зоной является достаточно привлекательной для продолжения исследований в этой области, а потенциальный коммерческий успех обещает покрыть любые временные затраты.

При подготовке текста использованы материалы Nature News.
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама
Комментарии 25
  • +4
    А где сейчас используется графен?
  • +7
    Только у меня, если взглянуть на кристаллическую структуру периферийным зрением, она расплывается?
    • +4
      Когда я смотрю — эта картинка приближается ко мне — интересный материал :)
      • 0
        Не GIF, проверил, сначала думал долгая анимация)
      • +8
        Если долго смотреть на последнюю картинку — возникает ощущение легкой наркомании…
        • 0
          На последней картинке структура исходного сырья — черного фосфора.

          • 0
            Интересно то, что источники путаются в показаниях. Han Liu и товарищи утверждает, что это (первая картинка поста) многослойный фосфорен, а Likai Li (последняя картинка), что черный фосфор.
            • 0
              Это по сути одно и то же. Чёрный фосфор имеет слоистую структуру, отдельный слой которой называется фосфореном. То есть чистый, без дефектов, чёрный фосфор это и есть в известном смысле слоистый фосфорен. Другое дело, что когда число слоёв велико, называть их слоистым фосфореном как-то неправильно.
              • 0
                Нет, по сути это абсолютно разные материалы. Общее у них только то, что они состоят из фосфора.
                • 0
                  Цитата из этой статьи:

                  we introduce phosphorene, a name we coined for a monolayer of black phosphorus, and few-layer phosphorene


                  То есть фосфорен отличается от чёрного фосфора приблизительно так же, как графен отличается от графита.
                  • 0
                    Прочитайте про аллотропные модификации.
                    • 0
                      Вы правда полагаете, что я не знаком с понятием аллотропии?
                      • 0
                        Сложилось такое впечатление. Тогда прочитайте про свойства графита и графена и, возможно, вы удивитесь насколько они отличаются.

                        Еще раз повторюсь, материалы (графит и графен/черный фосфор и фосфорен) похожи только тем, что состоят из одних и тех же атомов.
                        • 0
                          Я нигде ничего не писал про сравнение свойств графена и графита или фосфорена и фосфора. Я лишь указал, что кристаллическая структура одного слоя чёрного фосфора совпадает с кристаллической структурой фосфорена, поэтому чёрный фосфор можно назвать многослойным фосфореном, а изображение его структуры одновременно иллюстрирует и структуру фосфорена.
                          • 0
                            А графит по вашей логике можно назвать многослойным графеном?
                            • +1
                              Так и называют.
                              • 0
                                Таки да, почему графен так стрельнул за 10 лет? Потому что вся его физика известна с 30-х годов 20-ого века, когда пытались описать свойства графита и графит представляли, как стэк графновых листов!;)
                              • 0
                                А графит для графена тоже сжимают, чтобы упорядочить атомы, а потом снимать?
                                • 0
                                  Помещать фосфор под большое давление надо, чтобы он превратился в чёрный фосфор, то есть сформировал слоистую кристаллическую структуру. Графит же используют природный, образовавшийся естественным путём в вулканических и магматических горных породах.
              • 0
                А можно чуть подробнее пояснить сию фразу:
                При этом наличие в структуре фосфорена атомов только одного вещества — фосфора, — а не двух, делает новый материал более привлекательным с точки зрения простоты изготовления.


                С дисульфидами же очень просто: растите монокристал, отрываете слой за слоем (физически или внедряете атомы для сраширения пространства между слоями — уже не важно).
                • 0
                  В использованном мною источнике сказано:

                  phosphorene, unlike molybdenum disulphide, is made from a single element, so pure samples are, in theory, easier to obtain.


                  То есть речь идёт, во-первых, о теоретической оценке, а во-вторых, не о получении как таковом, а о получении чистых образцов. Других пояснений нет, а я в таких технологических вопросах не силён.
                • 0
                  И ещё: есть ли какие-нибудь сравнения в виде графиков?!

                  PS: Могу завтра скачать статью, если необходимо…
                  • 0
                    В виде графиков нет. Если в цифрах, то речь идёт о подвижности дырок до 1000 см²/В·с

                    Для сравнения, у графена подвижность электронов достигает десятков тысяч, у сульфида молибдена — до 700, у коммерческих кремниевых полупроводников — в лучшем случае около 500.

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.