El fosforeno es un material bidimensional que consta de fósforo . Consiste en una sola capa de fósforo negro en capas [1] elaborado artificialmente , el alótropo más estable del fósforo . La designación fosforeno se ha introducido [2] en analogía con la designación del grafeno como una sola capa de grafito . Entre los materiales bidimensionales , el fosforeno surgió como un fuerte competidor del grafeno porque, a diferencia del grafeno, el fosforeno tiene una banda prohibida fundamental distinta de cero que puede modularse además por la tensión y el número de capas en una pila.[2] [3] [4] El fosforeno se aisló por primera vez en 2014 mediante exfoliación mecánica. [2] [5] [6]
Historia
En 1914 se sintetizó fósforo negro , un alótropo semiconductor en capas de fósforo. [1] Se ha demostrado que este alótropo exhibe una alta movilidad de portador . [7] En 2014, varios grupos [2] [5] [6] aislaron el fosforeno de una sola capa, una monocapa de fósforo negro. Atrajo una atención renovada [8] debido a su potencial en optoelectrónica y electrónica debido a su banda prohibida , que puede sintonizarse modificando su grosor, propiedades fotoelectrónicas anisotrópicas y alta movilidad del portador. [2] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] El fosforeno se preparó inicialmente mediante la escisión mecánica, una técnica comúnmente utilizada en la producción de grafeno que es difícil de escalar. La exfoliación líquida [16] [17] es un método prometedor para la producción escalable de fosforeno.
Síntesis
La síntesis de fosforeno es un desafío importante. Actualmente, hay dos formas principales de producción de fosforeno: microescisión basada en cinta adhesiva [2] y exfoliación líquida, [16] [17] mientras que también se están desarrollando varios otros métodos. También se informa sobre la producción de fosforeno a partir del grabado con plasma. [19]
En la microescisión basada en cinta adhesiva, el [2] fosforeno se exfolia mecánicamente a partir de una masa de cristal de fósforo negro utilizando cinta adhesiva. El fosforeno se transfiere luego a un sustrato de Si / SiO 2 , donde luego se limpia con acetona, alcohol isopropílico y metanol para eliminar cualquier residuo de cinta adhesiva. A continuación, la muestra se calienta a 180 ° C para eliminar los residuos de disolvente.
En el método de exfoliación líquida informado por primera vez por Brent et al. en 2014 [20] y modificado por otros, [16] el fósforo negro a granel se muele primero en un mortero y luego se somete a ultrasonidos en líquidos orgánicos anhidros desoxigenados, como NMP, bajo una atmósfera inerte utilizando un baño de ultrasonidos de baja potencia. A continuación, las suspensiones se centrifugan durante 30 minutos para filtrar el fósforo negro sin follar. La monocapa 2D resultante y la estructura cristalina y sin oxidar de fosforeno de pocas capas, mientras que la exposición al aire oxida el fosforeno y produce ácido. [dieciséis]
Otra variación de la exfoliación líquida [17] es la “ exfoliación líquida básica con N-metil-2-pirrolidona (NMP)”. Se añade fosforeno negro a granel a una solución saturada de NaOH / NMP, que se somete a ultrasonidos durante 4 horas para realizar una exfoliación líquida. Luego, la solución se centrifuga dos veces, primero durante 10 minutos para eliminar el fósforo negro sin follar y luego durante 20 minutos a una velocidad más alta para separar las capas gruesas de fosforeno (5 a 12 capas) del NMP. Luego, el sobrenadante se centrifuga nuevamente a mayor velocidad durante otros 20 minutos para separar las capas más delgadas de fosforeno (1 a 7 capas). A continuación, el precipitado de centrifugación se redispersa en agua y se lava varias veces con agua desionizada. Se deja caer una solución de fosforeno / agua sobre silicio con una superficie de SiO 2 de 280 nm , donde se seca más al vacío. Se demostró que el método de exfoliación líquida NMP produce fosforeno con tamaño y número de capas controlables, excelente estabilidad al agua y alto rendimiento. [17]
La desventaja de los métodos actuales incluye un tiempo de sonicación prolongado, disolventes de alto punto de ebullición y baja eficiencia. Por lo tanto, todavía se están desarrollando otros métodos físicos para la exfoliación líquida. Un método asistido por láser desarrollado por Zheng y colaboradores [21] mostró un rendimiento prometedor de hasta el 90% en 5 minutos. El fotón láser interactúa con la superficie del cristal de fósforo negro a granel, provocando burbujas de plasma y disolvente que debilitan la interacción entre capas. Dependiendo de la energía del láser, el disolvente (etanol, metanol, hexano, etc.) y el tiempo de irradiación, se controlaron el número de capas y el tamaño lateral del fosforeno.
La producción de alto rendimiento de fosforeno ha sido demostrada por muchos grupos en disolventes, pero para darse cuenta de las posibles aplicaciones de este material, es crucial depositar estas nanoláminas independientes en disolventes de forma sistemática sobre sustratos. H. Kaur y col. [22] demostró la síntesis, la alineación impulsada por la interfaz y las propiedades funcionales subsiguientes del fosforeno semiconductor de pocas capas utilizando el ensamblaje de Langmuir-Blodgett. Este es el primer estudio que proporciona una solución sencilla y versátil frente al desafío de ensamblar nanoláminas de fosforeno en varios soportes y, posteriormente, utilizar estas láminas en un dispositivo electrónico. Por lo tanto, las técnicas de ensamblajes húmedos como Langmuir-Blodgett sirven como un nuevo punto de entrada muy valioso para la exploración de las propiedades electrónicas y optoelectrónicas del fosforeno, así como de otros materiales inorgánicos en capas 2D.
Sigue siendo un desafío cultivar directamente de forma epitaxial el fosforeno 2D porque la estabilidad del fosforeno negro es muy sensible al sustrato, lo que se comprende mediante simulaciones teóricas. [23] [24]
Propiedades
Estructura
Los materiales de fosforeno 2D se componen de capas individuales que se mantienen unidas por las fuerzas de van der Waals en lugar de enlaces covalentes o iónicos que se encuentran en la mayoría de los materiales. Hay cinco electrones en los orbitales 3p del átomo de fósforo, lo que da lugar a la hibridación sp 3 del átomo de fósforo dentro de la estructura del fosforeno. El fosforeno monocapa presenta la estructura de una pirámide cuadrangular porque tres electrones del átomo de P se unen con otros tres átomos de P covalentemente a 2,18 Å dejando un par solitario. [16] Dos de los átomos de fósforo están en el plano de la capa a 99 ° entre sí, y el tercer fósforo está entre las capas a 103 °, lo que da un ángulo promedio de 102 °.
De acuerdo con los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), el fosforeno se forma en una estructura de celosía de panal con una falta de planitud notable en la forma de crestas estructurales. Se predice que la estructura cristalina del fósforo negro se puede discriminar a alta presión. [25] Esto se debe principalmente a la compresibilidad anisotrópica del fósforo negro debido a las estructuras cristalinas asimétricas. Posteriormente, el enlace de van der Waals se puede comprimir en gran medida en la dirección z. Sin embargo, existe una gran variación en la compresibilidad a través del plano xy ortogonal.
Se informa que controlar la velocidad centrífuga de producción puede ayudar a regular el espesor de un material. Por ejemplo, la centrifugación a 18000 rpm durante la síntesis produjo fosforeno con un diámetro promedio de 210 nm y un grosor de 2,8 ± 1,5 nm (2 a 7 capas). [dieciséis]
Propiedades de conductividad y banda prohibida
El fosforeno tiene un intervalo de banda directo dependiente del espesor que cambia a 1,88 eV en una monocapa desde 0,3 eV en el volumen. [17] Se predice que el aumento en el valor de la banda prohibida en el fosforeno de una sola capa se debe a la ausencia de hibridación entre capas cerca de la parte superior de la valencia y la parte inferior de la banda de conducción. [2] Un pico pronunciado centrado en alrededor de 1,45 eV sugiere la estructura de la banda prohibida en una diferencia de fosforeno de capa única o de una sola capa con respecto a los cristales a granel. [2]
En vacío o sobre sustrato débil, es muy fácil realizar una interesante reconstrucción con terminación en nanotubos del borde fosforeno, transformando el borde fosforeno de metálico a semiconductor. [26]
Estabilidad del aire
Una de las principales desventajas del fosforeno es su limitada estabilidad al aire. [28] [29] [30] [31] [32] [33] Compuesto de fósforo higroscópico y con una relación superficie-volumen extremadamente alta , el fosforeno reacciona con el vapor de agua y el oxígeno asistido por la luz visible [34] para degradarse dentro el alcance de las horas. A través del proceso de degradación, el fosforeno (sólido) reacciona con oxígeno / agua para desarrollar 'burbujas' ácidas en fase líquida en la superficie, y finalmente se evapora (vapor) para desaparecer por completo (degradación SBV) y reducir severamente la calidad general. [17]
Aplicaciones
Transistor
Los investigadores [2] han fabricado transistores de fosforeno para examinar su rendimiento en dispositivos reales. El transistor basado en fosforeno consta de un canal de 1,0 μm y utiliza pocas capas de fosforeno con un grosor que varía de 2,1 a más de 20 nm. Se observa una reducción de la resistencia total al disminuir el voltaje de la puerta, lo que indica la característica de tipo p del fosforeno. La relación IV lineal del transistor con un sesgo de drenaje bajo sugiere buenas propiedades de contacto en la interfaz fosforeno / metal. Se observó una buena saturación de corriente a valores altos de sesgo de drenaje. [2] Sin embargo, se vio que la movilidad se reduce en el fosforeno de pocas capas en comparación con el fósforo negro a granel. La movilidad de efecto de campo del transistor basado en fosforeno muestra una fuerte dependencia del espesor, alcanzando un máximo de alrededor de 5 nm y disminuyendo de manera constante con un mayor aumento del espesor del cristal.
La capa dieléctrica de deposición de capa atómica (ALD) y / o el polímero hidrófobo se utilizan como capas de encapsulación para evitar la degradación y falla del dispositivo. Se informa que los dispositivos de fosforeno mantienen su función durante semanas con la capa de encapsulación, mientras que experimentan fallas en el dispositivo dentro de una semana cuando se exponen a condiciones ambientales. [28] [29] [30] [31] [32] [35]
Electrodo de batería
El fosforeno se considera un material de ánodo prometedor para baterías recargables, como las baterías de iones de litio. El espacio entre capas permite el almacenamiento y la transferencia de litio. El número de capas y el tamaño lateral del fosforeno afectan la estabilidad y capacidad del ánodo. [36]
Inversor
Los investigadores también han construido el inversor CMOS (circuito lógico) combinando un transistor PMOS de fosforeno con un transistor MoS 2 NMOS , logrando una alta integración heterogénea de cristales de fosforeno semiconductores como un nuevo material de canal para posibles aplicaciones electrónicas. [2] En el inversor, el voltaje de la fuente de alimentación se establece en 1 V. El voltaje de salida muestra una transición clara de VDD a 0 dentro del rango de voltaje de entrada de −10 a −2 V. Se alcanza una ganancia máxima de ~ 1.4 .
Material donante de células solares (optoelectrónica)
También se examinaron las aplicaciones potenciales del fosforeno bicapa mixto en material de células solares . [37] [35]
Circuitos flexibles
El fosforeno es un candidato prometedor para los nano sistemas flexibles debido a su naturaleza ultradelgada con un control electrostático ideal y una flexibilidad mecánica superior. [39] Los investigadores han demostrado los transistores flexibles, los circuitos y el demodulador de AM basados en fósforo de pocas capas, mostrando un transporte bipolar am mejorado con una movilidad de portadora a temperatura ambiente alta de hasta ~ 310 cm 2 / Vs y una fuerte saturación de corriente. Se han realizado unidades de circuito fundamentales que incluyen inversor digital, amplificador de voltaje y duplicador de frecuencia. [40] Se han realizado transistores de radiofrecuencia (RF) con la frecuencia de corte intrínseca más alta de 20 GHz para aplicaciones potenciales en nano sistemas inteligentes flexibles de alta frecuencia. [38]
Ver también
- Borofeno
- Germanene
- Grafeno
- Silicene
- Stanene
Referencias
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