Le phosphore noir est un matériau cristallin qui suscite un intérêt croissant pour la recherche des ingénieurs de dispositifs semi-conducteurs, chimistes et scientifiques des matériaux pour créer des films atomiquement minces de haute qualité.

Du point de vue d'un matériau en couches 2D, le phosphore noir est prometteur pour des applications dans l'électronique flexible de prochaine génération qui pourraient permettre des avancées dans les semi-conducteurs, l'imagerie médicale, vision nocturne et réseaux de communication optique.

En tant que substitut potentiel du graphène et du silicium, il a des propriétés exceptionnelles comme la bande interdite réglable, dont le graphène manque. Une bande interdite, une bande d'énergie dans laquelle aucun état électronique ne peut exister, est essentiel pour créer le flux marche/arrêt d'électrons nécessaires à la logique numérique et pour la génération de photons pour les LED et les lasers.

Malheureusement, le phosphore noir est difficile à fabriquer et à conserver. Il se dégrade rapidement lorsqu'il est exposé à l'air. Pourquoi cela se produit et les mécanismes exacts par lesquels cela se produit, que l'oxygène ou l'humidité de l'air se dégradent ou les deux, restent un sujet de débat actif dans la communauté des chercheurs.

Des chercheurs en ingénierie de Vanderbilt ont montré pour la première fois que la réaction du phosphore noir à l'oxygène peut être observée à l'échelle atomique en utilisant la microscopie électronique à transmission in situ (MET).

Les résultats sont rapportés dans leur article, " Visualisation des mécanismes d'oxydation dans le phosphore noir à quelques couches via la microscopie électronique à transmission in situ, " dans l'American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces journal.

"Dans la recherche, des hypothèses différentes et souvent contradictoires existent dans la communauté scientifique. Cependant, la capacité d'observer une réaction à une résolution atomique en temps réel offre une clarté indispensable pour propulser les avancées. Nous utilisons les connaissances de nos expériences MET in situ à résolution atomique dans notre laboratoire pour développer de nouvelles méthodes de synthèse et de conservation du phosphore noir, " a déclaré Piran Kidambi, professeur assistant en génie chimique et biomoléculaire.

"Les approches actuelles ont cherché à l'encapsuler avec une couche d'oxyde ou de polymère sans vraiment comprendre pourquoi ni comment l'oxydation se déroule, " a déclaré Andrew E. Naclerio, étudiant diplômé de deuxième année au Département de génie chimique et biomoléculaire et premier auteur de l'article.

"La plupart des connaissances sur l'oxydation du phosphore noir ont été basées sur les résultats de sondes spectroscopiques, " dit Kidambi, Le conseiller de Naclerio. En collaboration avec Dmitri Zakharov, scientifique du Brookhaven National Laboratory à Upton, New York, l'équipe a utilisé la microscopie électronique à transmission environnementale (ETEM), qui fournit une observation in situ en temps réel des informations structurelles sur un échantillon et la réaction à une résolution atomique.

"C'est l'un des rares microscopes aux États-Unis et dans le monde à pouvoir effectuer une imagerie à résolution atomique tout en introduisant des gaz et en chauffant, ", a déclaré Kidambi. La collaboration est née d'une proposition d'utilisateur évaluée par des pairs et est financée par le ministère de l'Énergie (DOE).

"Certaines informations que nous avons obtenues étaient que la réaction se déroule via la formation d'une couche amorphe qui s'évapore ensuite. Différents bords cristallographiques conduisent à divers degrés de gravure et cela concorde bien avec les calculs théoriques, ", a déclaré Kidambi.

La collaboration pour les calculs théoriques avec deux des auteurs de l'article, les chercheurs Jeevesh Kumar et Mayank Shrivastava de l'Indian Institute of Science de Bangalore, a été formé lors d'une conférence où Kidambi a été invité à donner une conférence.

L'équipe vise à synthétiser des films atomiquement minces de phosphore noir par dépôt chimique en phase vapeur, et des informations sur l'oxydation peuvent être utilisées pour développer des techniques de passivation efficaces.