Black Phosphorus: The Birth of a New Wonder Material

Under de senaste åren har tvådimensionella kristaller dykt upp som några av de mest spännande nya materialen att leka med. Följaktligen har materialforskare fallit över sig själva för att upptäcka de extraordinära egenskaperna hos grafen, bornitrid, molybdendisulfid och så vidare.

En senare del av denna grupp är svart fosfor, där fosforatomer går samman för att bilda ett tvådimensionellt rynkigt ark. Förra året byggde forskare en fälteffekttransistor av svart fosfor och visade att den presterade anmärkningsvärt bra. Denna forskning antydde att svart fosfor kan ha en ljus framtid i nanoelektroniska enheter.

Men det är ett problem. Svart fosfor är svårt att göra i stora mängder. Idag säger Damien Hanlon vid Trinity College Dublin i Irland, och ett antal kompisar, att de har löst det här problemet.

Dessa killar har fulländat ett sätt att göra stora mängder svarta fosfornanoark med dimensioner som de kan kontrollera. Och de har använt denna nyfunna förmåga för att testa svart fosfor i ett antal nya applikationer, såsom en gassensor, en optisk switch, och till och med för att förstärka kompositmaterial för att göra dem starkare.

I bulkform är svart fosfor gjord av många lager, som grafit. Så ett sätt att separera enstaka ark är genom exfoliering, helt enkelt skala av lager med hjälp av tejp eller andra material. Det är en tidskrävande uppgift som kraftigt begränsar potentiella applikationer.

Så Hanlon och co har lekt med ett annat tillvägagångssätt. Deras metod är att placera den svarta fosforklumpen i ett flytande lösningsmedel och sedan bombardera den med akustiska vågor som skakar isär materialet.

Resultatet är att bulkmassan separeras i ett stort antal nanoark som teamet filtrerar efter storlek med hjälp av en centrifug. Det lämnar högkvalitativa nanoark som bara består av ett fåtal lager. Flytande fasexfoliering är en kraftfull teknik för att producera nanoark i mycket stora mängder, säger de.

Ett potentiellt problem med nanoskivor av svart fosfor är att de bryts ned snabbt när de kommer i kontakt med vatten eller syre. Så ett av de framsteg teamet har gjort är att förutsäga att vissa lösningsmedel bör bilda ett solvatiseringsskal runt arket, vilket förhindrar syre eller andra oxidativa ämnen från att nå fosforn.

Teamet använder N-cyklohexyl-2-pyrrolidon eller CHP som lösningsmedel och på grund av detta är nanoarken förvånansvärt långlivade.

Den stora fördelen med svart fosfor framför grafen är att den har ett naturligt bandgap som fysiker kan utnyttja för att tillverka elektroniska enheter, som transistorer. Men Hanlon och co säger att den nyfunna tillgängligheten av svarta fosfornanoark har gjort det möjligt för dem att testa ett antal andra idéer också.

Till exempel lade de nanoskivorna till en film av polyvinylklorid, vilket fördubblade dess styrka och ökade dess draghållfasthet sex gånger. Så det är inte bara kolallotroper som kan öka styrkan!

De fastställde också det olinjära optiska svaret hos nanoarken på en pulsad laser genom att mäta mängden ljus som överförs. Det visar sig att mängden ljussvart fosfor som absorberas minskar när intensiteten stiger, en egenskap som kallas mättbar absorption. Dessutom är svart fosfor bättre på detta till och med än grafen.

Slutligen mätte de strömmen genom nanoskivorna samtidigt som de exponerade dem för ammoniak. De fann att materialets motstånd ökade när det kom i kontakt med ammoniak, förmodligen för att ammoniak donerar elektroner som neutraliserar hål i de svarta fosforskivorna.

Det gör omedelbart svart fosfor till en anständig ammoniakdetektor. Hanlon och co säger att materialet kan upptäcka ammoniak i nivåer på cirka 80 delar per miljard.

Allt detta kan markera en intressant stegförändring i forskningen förknippad med svart fosfor. Många människor kommer att ha sett spänningen i samband med grafenens anmärkningsvärda egenskaper. Om svart fosfor är hälften så anmärkningsvärt borde det finnas en intressant framtid för materialvetare.

Ref: arxiv.org/abs/1501.01881 : Flytande exfoliering av lösningsmedelsstabiliserad svart fosfor: Applikationer bortom elektronik

Dölj