У графена, углеродного материала толщиной в один атом, появляются конкуренты – такие слои также могут быть образованы из черного фосфора. Химики Технического университета Мюнхена (TUM) уже разработали полупроводниковый материал, в котором отдельные атомы фосфора заменили мышьяком. В рамках совместной международной работы их американские коллеги создали первые полевые транзисторы из нового материала.

В течение многих десятилетий основой современной электроники был кремний. На сегодняшний день технология кремния позволяет создавать транзисторы для малогабаритных устройств. Но размер кремниевых транзисторов уже достигает своего физического предела. Кроме того, потребители хотели бы иметь гибкие устройства, например, которые могут быть внедрены в одежду, а кремний твердый и хрупкий. Все это вызвало поиски новых материалов, которые в будущем могут заменить кремний.

Черный фосфор с добавкой мышьяка (англ. – black arsenic phosphorus) может стать таким материалом. Как и графен, который состоит из одного слоя атомов углерода, этот материал образует очень тонкие слои. Диапазон возможных применений – от транзисторов и датчиков до гибких полупроводниковых приборов. В отличие от графена, чьи электронные свойства аналогичны металлам, черный фосфор с примесью мышьяка ведет себя как полупроводник.

Фосфорен против графена

Сотрудничество между Техническим университетом Мюнхена, университетом Регенсбурга, Университетом Южной Калифорнии (USC) и Йельским университетом в США привело к изготовлению полевого транзистора, изготовленного из черного фосфора с примесью мышьяка.

Кристаллы полупроводникового черного фосфора с примесью мышьяка

Новая разработанная технология позволяет синтезировать исследуемое соединение без высокого давления. Это дешевле и требует меньше энергии. Зазор между валентной зоной и зоной проводимости можно точно контролировать путем изменения концентрации мышьяка.

С концентрацией мышьяка в 83 процента материал имеет крайне малую ширину запрещенной зоны, которая составляет всего 0,15 эВ. Это делает его потенциальным материалом для изготовления датчиков, которые могут обнаружить длинноволновую инфракрасную радиацию. Например, лазерные дальномеры работают в этом диапазоне длин волн. Другое возможное применение – это измерение частиц пыли и следов газов при экологическом мониторинге.

Изображение полевого транзистора из нового материала

Еще одним интересным моментом является анизотропия электронных и оптических характеристик новых двумерных полупроводников, т.е. материал проявляет различные характеристики вдоль х и у-осей. Для получения пленок, подобных графену, с поверхности материала снимают ультратонкие слои. Самые тонкие пленки, полученные к настоящему времени, имеют толщину всего два атомных слоя.

Кристалл исследуемого материала в начале расслаивания под электронным микроскопом