Инкапсуляция так называемого «черного фосфора» (полупроводникового материала с высокой подвижностью зарядов, состоящего из монослоев фосфорена) оксидом алюминия позволяет прекратить деградацию его свойств при контакте с воздухом. К такому выводу пришли ученые из США, подробно изучавшие материал при помощи различных вариантов микроскопии. Стабильный фосфорен может найти применение в различных устройствах маломощной наноэлектроники, в том числе, в фотоприемниках, работающих в широком спектральном диапазоне излучения – от видимой области до ближней инфракрасной.

Как и у других двумерных материалов, таких как графен и дихалькогениды переходных металлов, у «черного фосфора» в двумерном варианте электронные и механические свойства разительно отличаются от трехмерного аналога.

Благодаря этим особенностям материал может найти применение в новых устройствах.

Также как и графен (представляющий собой лист атомов углерода, образующих двумерную гексагональную решетку), черный фосфор – слоистый материал, содержащий отдельные атомы фосфора, размещенные в углах шестиугольников. При этом между собой атомные слои удерживаются слабыми силами Ван-дер-Ваальса.

Объемный черный фосфор является полупроводником с шириной запрещенной зоны около 0,3 эВ. Подвижностью зарядов в этом полупроводнике порядка 1000 см²/В, а отношение тока во включенном состоянии к току в выключенном состоянии – порядка 10⁴ – 10⁵ при комнатной температуре. Если же из него выделить однослойные или многослойные хлопья фосфорена, подвижность носителей заряда становится существенно выше, но материал при этом будет нестабильным из-за быстрого окисления на воздухе.

Такая деградация ведет к быстрому ухудшению электронных свойств материала. В частности, отношение тока во включенном состоянии к току в выключенном состоянии уже через 48 часов, проведенных в контакте с воздухом, уменьшается почти до 1000.

Группа исследователей из Northwestern University (США) подробно изучила процесс окисления фосфорения при контакте с воздухом, используя различные варианты микроскопии и спектроскопии.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и спектроскопия в ИК-диапазоне позволили оценить окисление черного фосфора при контакте с воздухом; атомно-силовая микроскопия и просвечивающий электронный микроскоп дали возможность даже визуализировать процесс этого окисления, а результаты, полученные при помощи электростатического силового микроскопа, показали, что этот процесс коррелирует с уменьшением проводимости, наблюдавшимся в сформированных из этого материала транзисторах.

Исследователи сравнивали результаты различных способов наблюдения с аналогичными измерениями на пластинах фосфорена, покрытого оксидом алюминия, наносившимся на его поверхность при помощи распространенной методики осаждения атомных слоев. Выяснилось, что транзисторы, изготовленные из защищенного при помощи оксида алюминия черного фосфора, не демонстрируют признаков деградации электронных свойств. Они сохраняют первоначальную высокую подвижность в течение более чем двух недель на воздухе.

Как отмечают ученые,

не только оксид алюминия может быть хорошим способом остановки деградации черного фосфора. Возможно, к тому же результату могут привести и другие методы пассивации, к примеру, покрытие материала металлами или полимерами. Правда, эти защитные слои, вероятно, будут более громоздкими, нежели нанесенный слой оксида алюминия.

Поскольку большинство практических приложений, где может быть задействован черный фосфор, подразумевает его контакт с воздухом (а не размещение в вакууме), подобные схемы инкапсуляции будут иметь важное значение для создания электронных устройств нового поколения, в частности, разработки новых оптоэлектронных структур.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters. В данный момент команда занята изучением материала при помощи методик с более высоким пространственным разрешением, в частности, при помощи сканирующего туннельного микроскопа с атомарным разрешением, чтобы понять реальные структурные и химические механизмы, лежащие в основе процесса ухудшения электронных свойств черного фосфора при контакте с воздухом.

Предполагается также проверить перспективность пассивации материала при помощи других реактивных наноструктур.