Yalen yliopiston vetämän tutkimusryhmän äskettäin tekemä löytö mustan fosforin kaistaeron virittämisessä voisi tehdä materiaalista kiinnostavan korvaajan piille elektroniikan parissa. Kun pii saavuttaa rajansa vain muutaman atomikerroksen paksuudessa, musta fosfori voisi vauhdittaa uuden sukupolven pienempiä laitteita, joustavaa elektroniikka ja nopeampia transistoreita, toteavat tutkijat.
Tämä johtuu kahdesta keskeisestä ominaisuudesta. Ensinnäkin mustalla fosforilla on suurempi liikkuvuus kuin piillä. Toiseksi sen kaistaero (bandgap) on suhteellisen suuri (2 eV).
Energiaraon virittäminen ohutkalvoisessa mustassa fosforissa tuottaa selvästi erilaiset ominaisuudet kuin esimerkiksi kaksikerroksisissa TMDC-materiaaleissa, kuten MoS2:ssa. On siten erittäin tärkeää löytää tapa hallita mustan fosforin kaistaeroa, jotta voi ymmärtää sen mahdollisia sovelluksia.
Tässä työssä tutkijat havaitsivat, että materiaalin kaistaero on kaikkein hallittavin tietyllä paksuudella. Käyttämällä pystysuuntaista sähkökenttää materiaaliin kyseisellä paksuudella tutkijat pystyivät ”säätäämän” kaistaeroa, niin että se lähes sulkeutui.
Esimerkiksi 10-15 nanometrin kalvopaksuus vaikuttaa optimaaliselta optoelektronisiin sovelluksissa. Se avaa sellaisia potentiaalisia sovelluksia kuten kuvantamisen työkalut, pimeänäkölaitteet, keski-infrapunan optiset modulaattorit, piirille integroitavan spektroskopian työkalut ja muut optoelektroniikan teknologiat.
- Ennen tätä tutkimusta mustan fosforin kaistaeroa ei voitu dynaamisesti säätää, mikä rajoittaa sen sovelluksia optoelektroniikassa, toteaa tutkimuksen vetäjä Bingchen Deng.
Deng totesi myös, että säädettävä kaistaero tarkoittaa, että mustaa fosforia voidaan mahdollisesti käyttää topologisena eristeenä, materiaali, jolla on epätavallinen kyky toimia sekä eristeenä että johtimena.
Tutkijat ovat erityisen kiinnostuneita topologisista eristeistä, koska ne voisivat olla avainasemassa kehitettäessä pienitehoista elektroniikka, jossa pinnalla olevat elektronit eivät kärsi sironnasta.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 27.4.2017
