Les matériaux bidimensionnels pourraient être à la base d'une nouvelle famille de matériaux flexibles, appareils électroniques de faible puissance, mais leur succès dépend de la stabilité chimique des couches. Les chercheurs d'A*STAR montrent maintenant qu'un matériau 2D, phosphorène, peut être stabilisé avec le bon choix de substrat et un champ électrique.

Graphène, une seule couche d'atomes de carbone, mérite sa réputation de supermatériau; c'est fort, dur, léger, a d'excellentes propriétés électroniques et thermiques. C'est l'archétype du matériau 2-D. Plus récemment, les scientifiques ont créé des couches simples d'autres matériaux - étain, germanium, bore, silicium et phosphore, avec leurs propres propriétés distinctives. Par exemple, tandis que le graphène est un semi-métal sans bande interdite, le phosphorène est un semi-conducteur comme le silicium, ce qui le rend utile pour les appareils électroniques. Cependant, Le phosphorène présente un inconvénient notoire :le matériau s'oxyde à l'air et sa qualité se dégrade rapidement.

À la recherche d'une approche viable pour surmonter ce problème, Junfeng Gao et ses collègues de l'A*STAR Institute of High Performance Computing utilisent des calculs des premiers principes pour démontrer que placer du phosphorène sur un substrat de diséléniure de molybdène et appliquer un champ électrique vertical peut augmenter considérablement sa résistance à l'oxydation.

"L'interaction et le transfert de charge entre le substrat et le phosphorène peuvent être réglés par un champ électrique externe, provoquant une modification de l'activité de surface et supprimant l'oxydation du phosphorène, " explique Gao.

Leur étude montre que le processus dominant impliqué dans la dégradation du phosphore dans l'air est l'absorption d'oxygène. L'oxydation rapide du phosphorène autoportant dans des conditions ambiantes est due à une faible barrière énergétique pour l'absorption d'oxygène d'environ 0,57 électronvolts :l'oxydation peut se produire en moins d'une minute.

Lorsque cette analyse est répétée avec du phosphorène recouvrant le diséléniure de molybdène, la barrière énergétique est beaucoup plus élevée. Également, le modèle montre que la présence du substrat de diséléniure de molybdène permet un réglage plus efficace des propriétés du phosphorène avec un champ électrique. Cela augmente encore la barrière d'énergie d'oxydation. Sous un champ électrique vertical approprié, la barrière peut augmenter jusqu'à 0,91 électronvolt. Cette durée de vie du phosphorène contre l'oxydation peut être 105 fois supérieure à celle sans traitement.

L'approche de Gao pour obtenir du phosphorène stable à l'air peut grandement favoriser son utilisation dans des dispositifs pratiques. "Nous explorerons plus de substrats pour leur capacité à stabiliser le phosphorène, " dit Gao. " En particulier, nous voulons savoir si un tel substrat est adapté à la croissance épitaxiale du phosphorène."