Исследователи из США получили аналог графена, состоящий из атомов фосфора. Новая аллотропная модификация фосфора, по аналогии с графеном получившая название «фосфорен» ( phosphorene), еще в большей степени приближает эру создания двумерных электронных устройств.

Пейде Йе (Peide Ye) из Университета Пэрдю с соавторами продемонстрировал, что фосфорен является первым двумерным электронодефицитным полупроводником (или полупроводником р-типа). Это обстоятельство важно для применения этого плоского материала в стандартных комплементарных металлооксидных полупроводниковых [metal-oxide semiconductor (CMOS)] логических устройствах, которые исследователи из группы Йе также изготовили, используя фосфорен. Йе отмечает, что для применения в электронных устройствах новый материал приспособлен даже лучше, чем графен.

Складчатая структура фосфорена может объяснить наблюдавшиеся для новые материала электронные свойства.

Системы транзисторов, которые работают в наших компьютерах и мобильных устройствах обычно работают, опираясь на особые электронные свойства границ соприкосновения полупроводников электронного и дырочного типа, однако в неизмененном виде графен не может выступать ни в роли p-полупроводника, ни в роли n-полупроводника. Плоским n-полупроводником является плоский дисульфид молибдена MoS2, однако получение двумерных полупроводников p-типа до настоящего времени остается весьма непростой задачей.

Идея получения фосфорена пришла Йе в голову, когда его коллега рассказал ему о черном фосфоре – наиболее устойчивой при комнатной температуре аллотропной модификации этого элемента. Как и графит, черный фосфор состоит из относительно неплотно связанных друг с другом слоев, что позволило исследователям из группы Йе воспроизвести первый опыт Гейма и Новоселова по получению графена – обработку кристаллов липкой лентой и отшелушивание материала. В таком случае на липкой ленте остаются отдельные слои материала, которые можно отделить от клейкого слоя с помощью растворителя. Этот метод исследователи ранее использовали для получения слоев MoS2, и, незамедлительно после генерации идеи, образец черного фосфора и липкой ленты позволил исследователям получить первые образцы фосфорена.

Изображение тройного слоя фосфорена толщиной 1,8 нанометров, полученное с помощью атомно-силового микроскопа.

Для более глубокого изучения свойств нового материала исследователи из группы Йе скооперировались с командой физиков-теоретиков Дэвида Томанека (David Tománek) из Университета Мичигана. Результаты моделирования позволяют предположить, что фосфорен обладает складчатой структурой, и гребни, локализованные на одноатомных слоях, «запирают» положение этих слоев, на давая им перемещаться друг относительно друга. Также было показано, что изменение числа слоев способствует изменению значения ширины запрещенной энергетической зоны – энергии, необходимой для того, чтобы материал начал проводить ток. Такая зависимость может оказаться полезной для настройки электронных устройств на основе фосфорена. Как отмечает Йе, особо перспективным материалом кажется однослойный фосфорен с наиболее высоким значением энергетической щели – в данном случае энергетическая зона позволит однозначно различать два состояния транзистора – «включено» и «выключено».

Получив фосфорен, сотрудники Йе Хан Лю (Han Liu) и Адам Нил (Adam Neal) инкорпорировали новый материал в полевой транзистор, чтобы измерить скорость перемещения дырок в фосфорене. Оказалось, что по этому параметру фосфорен уступает графену в 50 раз, причем складчатое строение обеспечивает зависимости движения носителей заряда от направления приложенных потенциалов. Тем не менее, Йе не склонен поддаваться пессимизму, заявляя, что скорость перемещения дырок в фосфорене всего в три раза ниже, чем в дисульфиде молибдена и в три раза выше, чем в классическом полупроводниковом материале – кремнии. На заключительном этапе исследователи, организовав на кремниевой подложке слои дисульфида молибдена и фосфорена, получили инвертер, простейшее комплементарное металлооксидное полупроводниковое логическое устройство.

Как отмечает Андреа Феррари (Andrea Ferrari) из Кембриджского центра по исследованию графена, наиболее интересным свойством фосфорена можно считать его дырочную проводимость, однако он подчеркивает, что существует около полутысячи слоистых материалов, которые могут служить источниками для получения монослойных материалов, поэтому поиск подходящих 2D-материалов будет продолжен.

Паола Де Падова (Paola De Padova) из Института Строения Вещества (Рим), участвовавшая в открытии силицена – двумерной формы кремния, высоко оценивает возможность настройки ширины запрещенной энергетической зоны фосфорена, однако подчеркивает, что хотелось бы получить больше спектральных и структурных данных. Также она считает, что доступность нового материала будет определяться жесткими условиями, необходимыми для получения черного фосфора, который пока представляет собой не самый дешевый материал.