Nature Communications julkaisee brasilialaisen tutkimuksen mustasta fosforista

Suurimman kustantajaryhmän Nature Publishing -ryhmän kansainvälinen tiedejulkaisu Nature Communications julkaisi 14. heinäkuuta artikkelin, joka kokoaa yhteen useita brasilialaisia ​​ryhmiä ja raportoi uutta tutkimusta mustasta fosforista - nanomateriaalista, joka koostuu kaksiulotteisten fosforilehtien pinoamisesta. .

Osallistuessaan prof. Dr. Christiano JS de Matos, MackGraphe-tutkija - Grafeenin, nanomateriaalien ja nanoteknologioiden tutkimuksen keskus Mackenzie Presbyterian yliopistossa ja kahdeksan muuta aiheen asiantuntijaa MackGraphesta itsestä ja Unesp, Unicamp, UFMG ja Singaporen kansallisesta yliopistosta., tutkimus paljastaa aiemmin tuntemattoman mustan fosforin ominaisuuden ja voi osaltaan edistää korkean suorituskyvyn nanolaitteiden kehittämistä.

Grafeenin eristämisen jälkeen vuonna 2004 ja sen potentiaalisten sähköisten ja optoelektronisten sovellusten osoittamisen jälkeen monet tutkijat ovat keskittyneet etsimään muita nanomateriaaleja, joilla on muutama atomipaksuus ja joilla on samanlaiset tai toisiaan täydentävät ominaisuudet. Viimeinen liittynyt tähän korkean teknologian klubiin on musta fosfori.

Vuonna 1914 löydettyä materiaalia ei löydy luonnosta ja sitä tutkittiin huonosti ensimmäisen vuosisadan ajan löytöjen jälkeen. Kiinnostus sitä kohtaan kuitenkin räjähti vuonna 2014, kun osoitettiin, että teipillä tehdyllä mekaanisella hiontamenetelmällä (sama, jota käytettiin ensimmäistä kertaa grafeenin eristämiseen) voidaan käyttää mustan fosforin saamiseksi, jolla on vähän atomipaksuuksia. .

Yllä oleva kuva osoittaa kultaisena tutkitun hienon mustan fosforikiteen. Kristallilla on esitetty väriasteikon muodossa odottamattomien ominaisuuksien atomaattisen värähtelyn voimakkuus (tummansininen edustaa alhaisempaa voimakkuutta ja punainen korkeampaa voimakkuutta). Näiden epätavallisten värähtelyjen havaitaan keskittyvän kiteen reunoihin antaen niille ominaispiirteet.

Toisin kuin grafeenia, yhdellä mustan fosforilevyn, nimeltään fosforiini, rakenne on "harmonikka" (ks. Alla oleva taulukko). Toisin kuin grafeeni (joka on erinomainen johdin), fosforiini on puolijohde, eräänlainen materiaali, jolla on tärkeitä elektronisia sovelluksia. Lisäksi mustan fosforin elektroniset ominaisuudet riippuvat suuresti tämän materiaalin kerrosten lukumäärästä.

Professori Christiano de Matosin mukaan nämä ominaisuudet tekevät mustasta fosforista erittäin lupaavan materiaalin tuleville sähköisille ja optoelektronisille sovelluksille, esimerkiksi transistoreissa, suorittaen tarvittavat loogiset toiminnot digitaalisissa järjestelmissä; valonilmaisimissa muuntaa valoenergia sähkövirraksi optisissa viestintäjärjestelmissä (valokuitu) tai aurinkokennoissa; ja uusissa valonlähettimissä optista viestintää varten. Siten grafeeni ja musta fosfori ovat toisiaan täydentäviä, eivät kilpailevia käytön ja sovelluksen suhteen, ja niitä voidaan jopa käyttää yhdessä.

Äskettäin julkaistu tutkimus on edelläkävijä, koska se on ensimmäinen, joka tunnistaa laskennallisen ja laboratoriotekniikan avulla, että tämän materiaalin atomivärähtelyt käyttäytyvät odottamatta ja erilaisina kuin kaukana reunoista. Tutkimus osoittaa myös, että tämä käyttäytyminen, jota ei havaittu grafeenissa, on seurausta kidehilan vääristymästä lähellä reunoja. Koska materiaalin atomivärähtelyt liittyvät lämmöntuotantoon ja hajoamiseen, tutkimus auttaa ymmärtämään paremmin lämmön hajoamista tässä uudessa materiaalissa, jolla on suuri merkitys fosforipohjaisten elektronisten ja optoelektronisten nanolaitteiden optimoinnissa. musta.

Tutkimuksen kokeellinen osa suoritettiin MackGraphessa käyttämällä Raman-spektroskopiatekniikkaa, joka kykenee analysoimaan tarkasti materiaalien atomi- ja molekyyliominaisuudet. MackGraphessa on yksi maan modernimmista Raman-spektrometreistä. FAPESP-resursseilla hankitulla laitteella on erittäin korkea herkkyys ja kyky suorittaa laajoja analyysejä suurella nopeudella.

Paperiarkit, joissa atomien muotoilu on järjestetty kennomaiseen rakenteeseen, kuvaavat grafeenin ja fosforiinin (yksi kerros mustaa fosforia) geometrisiä eroja. Grafeenissa (vasemmalla) hiiliatomit ovat kaikki samassa tasossa, muodostaen venytetyn levyn. Fosforiinissa (oikealla) fosforiatomilevyllä on yhtenäinen rakenne, ikään kuin taitettuna origamiksi, mikä antaa materiaalille anisotrooppiset ominaisuudet.

Neuvonnan kautta