Исследователи из Центра фундаментальных наук и физики интегрированных наноструктур (Institute for Basic Science Center for Integrated Nanostructure Physics) университета Сонгюнгван (Sungkyunkwan University, SKKU), Сеул, Южная Корея, обнаружили способ управления свойствами черного фосфора так, что этом материал начинает вести себя как полупроводник n-типа (с электронной проводимостью), p-типа (с «дырочной» проводимостью) и амбиполярного, n-типа и p-типа одновременно. Это возможно при изменении толщины этого материала, что влияет на ширину его запрещенной зоны, кроме этого, подобного эффекта можно добиться путем введения примесей различных металлов. Используя свое открытие, корейские исследователи смогли создать из черного фосфора транзистор, способный работать при более низких напряжениях, нежели транзисторы, изготовленные из традиционного кремния.

Черный фосфор, или как его еще называют – фосфорен, является одним из недавних пополнений семейства условно двухмерных материалов.

В течение почти столетия этот материал существовал лишь на пыльных страницах каталогов химических веществ, но он получил новую жизнь в прошлом году, когда ученым удалось отслоить листы фосфора, имеющие толщину в 10–20 атомных слоев.

Появившись на свет, фосфорен быстро привлек к себе внимание ученых.

В первую очередь это обусловлено тем, что материал имеет врожденную запрещенную зону, в отличие от его более старшего «кузена», графена, у которого запрещенная зона возникает только в результате некоторых воздействий. Кроме этого ширина запрещенной зоны фосфорена может изменяться в достаточно широких пределах, что делает материал пригодным для использования в электронике и, особенно, оптоэлектронике.

Однако корейские исследователи пропустили перспективную область оптоэлектроники и начали исследования возможности конкуренции черного фосфора с кремнием в обычной полупроводниковой электронике. Именно тогда и выяснилось, что ширина запрещенной зоны материала зависит напрямую от толщины слоя, и это является грозным оружием в деле конкурентной борьбы с «могущественным» кремнием и другими полупроводниковыми материалами.

Исследователи обнаружили, что при условии использования алюминия в качестве материала контактов, слой фосфорена, толщиной 13 нанометров, подобно графену, имеет амбиполярные полупроводниковые свойства.

Более тонкие листы фосфорена, толщиной до 3 нанометров, демонстрируют свойства n-типа с соотношением тока во включенном и выключенном состоянии, равным 105. И чем тоньше удается сделать листы фосфорена, тем более высоким получается значение вышеуказанного соотношения.

Но новому материалу предстоит проделать еще очень долгий путь до начала его практического применения. «Я не думаю, что фосфорен сможет конкурировать с кремнием в самом ближайшем времени» – рассказывает Дэвид Дж. Перелло (David J. Perello), один из исследователей, – «Кремний весьма распространен и дешев, а лучшие кремниевые транзисторы имеют характеристики, сопоставимые с характеристиками изготовленных нами транзисторов из черного фосфора. Однако, существует целый ряд устройств, где особенности черного фосфора имеют огромные преимущества, и именно в этих устройствах новый материал и найдет свое первое применение».

Для того, чтобы использовать фосфорен даже в ограниченном круге электронных приборов, требуется масштабируемая технология его производства. Ведь способ расщепления кристалла фосфора на слои, используемый в лабораториях, не дает прогнозируемых показателей.

Получаемые таким способом слои фосфорена имеют неоднородную ширину и произвольную форму, из-за чего их можно использовать разве что в лабораторных исследованиях. Но сейчас ученые уже работают над технологией химического осаждения фосфорена их паровой фазы, и в случае успеха перспективы использования этого материала могут измениться кардинальным образом.