Un défaut ponctuel apparaît dans un matériau bidimensionnel lorsque les atomes ne s'alignent pas tout à fait correctement, comme dans la paire plissée d'un heptagone et d'un pentagone vu en haut. Dans de nombreux matériaux, cette perturbation des anneaux réguliers à six atomes (comme on le voit en bas) modifierait les propriétés électroniques du matériau. Mais les théoriciens de l'Université Rice ont déterminé que le phosphore 2-D ne serait pas affecté par de tels défauts. Crédit :Evgeni Penev
(Phys.org) —Les défauts endommagent les propriétés idéales de nombreux matériaux bidimensionnels, comme le graphène à base de carbone. Phosphorus hausse les épaules.
Cela en fait un candidat prometteur pour les applications nano-électroniques qui nécessitent des propriétés stables, selon de nouvelles recherches menées par le physicien théoricien de l'Université Rice Boris Yakobson et ses collègues.
Dans un article de la revue American Chemical Society Lettres nano , l'équipe Rice a analysé les propriétés des liaisons élémentaires entre les atomes de phosphore semi-conducteurs dans des feuilles 2-D. Le phosphore bidimensionnel n'est pas théorique; il a été récemment créé par exfoliation au phosphore noir.
Les chercheurs ont comparé leurs découvertes aux dichalcogénures métalliques 2-D comme le bisulfure de molybdène; ces composés métalliques ont également été envisagés pour l'électronique en raison de leurs propriétés semi-conductrices inhérentes. Dans les dichalcogénures vierges, les atomes des deux éléments alternent en synchronisme. Mais partout où deux atomes du même élément se lient, ils créent un défaut ponctuel. Considérez cela comme une perturbation temporaire de la force qui pourrait ralentir les électrons, dit Yakobson.
Les semi-conducteurs sont l'élément de base de l'électronique moderne qui dirige et contrôle la façon dont les électrons se déplacent dans un circuit. Mais lorsqu'une perturbation creuse une bande interdite, le semi-conducteur est moins stable. Lorsque le chaos règne sous la forme de plusieurs défauts ponctuels ou joints de grains, où les feuilles d'un matériau 2D fusionnent selon des angles, forçant comme des atomes à se lier - les matériaux deviennent beaucoup moins utiles.
Les calculs du laboratoire Yakobson montrent que le phosphore n'a pas un tel problème. Même lorsque des défauts ponctuels ou des joints de grains existent, les propriétés semi-conductrices du matériau sont stables. Comme le graphène parfait, mais contrairement au graphène imparfait, il fonctionne comme prévu.
Regardez le phosphore 2-D d'en haut et cela ressemble à du graphène, nitrure de bore ou autres dichalcogénures, avec ses rangées d'hexagones. Mais sous un angle, le phosphore révèle sa vraie forme, sous forme d'atomes alternés qui sortent de la matrice. Cette complexité donne lieu à plus de variations parmi les défauts, dit Yakobson.
"Parce que le phosphore 2-D n'a qu'un seul type d'élément, ses défauts ne contiennent pas de liaisons hétéro-élémentaires « mauvaises », " a déclaré Yuanyue Liu, le premier auteur de l'article et un ancien élève de Rice, maintenant chercheur postdoctoral au Laboratoire national des énergies renouvelables. "Ces liaisons ne piégeraient ni ne recombineraient les électrons ou les trous.
"C'est une bonne propriété pour une application dans les cellules solaires, ", a-t-il déclaré. "Le phosphore bidimensionnel pourrait potentiellement être utilisé pour récolter la lumière du soleil, car sa bande interdite correspond bien au spectre solaire. » Contrairement aux absorbeurs conventionnels, il a dit, la présence de défauts ne détériorerait pas les performances du matériau.
Les chercheurs montrent également qu'il est peut-être possible d'ajuster les propriétés électroniques du phosphore 2-D en le modifiant (c'est-à-dire en le dopant) avec des atomes étrangers. Cela devrait être utile aux fabricants d'électronique, dit Yakobson. Le carbone et le zinc peuvent augmenter la conductivité positive, tandis que le potassium peut augmenter la conductivité négative; les chercheurs pensent que le phosphore peut être un matériau d'anode prometteur pour les batteries.
En réalité, Le phosphore 2-D a plus en commun avec le silicium tridimensionnel, l'élément le plus courant dans l'électronique semi-conductrice comme les puces informatiques. Comme dans le phosphore 2-D, les limites de grains dans le silicium ne provoquent pas de changements de bande interdite. Cependant, les défauts ponctuels du silicium peuvent modifier ses propriétés, contrairement aux défauts ponctuels du phosphore.
Cela suggère que le phosphore 2-D pourrait également être un candidat pour l'électronique haute performance. En réalité, Liu a dit, several experimental reports have already shown it can be a better transistor than 2-D metal dichalcogenides.
The researchers noted that phosphorus is abundant and black phosphorus can be made relatively easily, but phosphorus reacts slowly with oxygen. To make it practical for daily applications, it has to be well-sealed, Liu said.
