Zwarte fosfor: de geboorte van een nieuw wondermateriaal

In de afgelopen jaren zijn tweedimensionale kristallen naar voren gekomen als een van de meest opwindende nieuwe materialen om mee te spelen. Bijgevolg zijn materiaalwetenschappers over zichzelf heen gevallen om de buitengewone eigenschappen van grafeen, boornitride, molybdeendisulfide, enzovoort te ontdekken.

Een laatkomer in deze groep is zwarte fosfor, waarin fosforatomen samenkomen om een ​​tweedimensionaal gebobbeld vel te vormen. Vorig jaar bouwden onderzoekers een veldeffecttransistor uit zwarte fosfor en toonden aan dat deze opmerkelijk goed presteerde. Dit onderzoek suggereerde dat zwarte fosfor een mooie toekomst zou kunnen hebben in nano-elektronische apparaten.

Maar er is een probleem. Zwarte fosfor is moeilijk in grote hoeveelheden te maken. Vandaag zeggen Damien Hanlon van Trinity College Dublin in Ierland, en een aantal vrienden, dat ze dit probleem hebben opgelost.

Deze jongens hebben een manier geperfectioneerd om grote hoeveelheden zwarte fosfor-nanobladen te maken met afmetingen die ze kunnen controleren. En ze hebben dit nieuwe vermogen gebruikt om zwarte fosfor te testen in een aantal nieuwe toepassingen, zoals een gassensor, een optische schakelaar, en zelfs om composietmaterialen te versterken om ze sterker te maken.

In bulkvorm is zwarte fosfor gemaakt van vele lagen, zoals grafiet. Dus een manier om losse vellen te scheiden is door te exfoliëren, simpelweg door lagen af ​​te pellen met plakband of andere materialen. Dat is een tijdrovende taak die potentiële toepassingen ernstig beperkt.

Dus Hanlon en co hebben met een andere benadering gespeeld. Hun methode is om de zwarte fosforklomp in een vloeibaar oplosmiddel te plaatsen en het vervolgens te bombarderen met akoestische golven die het materiaal uit elkaar doen schudden.

Het resultaat is dat de bulkmassa uiteenvalt in een groot aantal nanosheets die het team met behulp van een centrifuge op grootte filtert. Dat laat hoogwaardige nanosheets over die uit slechts enkele lagen bestaan. Vloeibare fase-exfoliatie is een krachtige techniek om nanosheets in zeer grote hoeveelheden te produceren, zeggen ze.

Een potentieel probleem met zwarte fosfor-nanobladen is dat ze snel degraderen wanneer ze in contact komen met water of zuurstof. Dus een van de vorderingen die het team heeft gemaakt, is om te voorspellen dat bepaalde oplosmiddelen een solvatatieschil rond het vel moeten vormen, waardoor wordt voorkomen dat zuurstof of andere oxidatieve soorten de fosfor bereiken.

Het team gebruikt N-cyclohexyl-2-pyrrolidon of CHP als oplosmiddel en hierdoor hebben de nanosheets een verrassend lange levensduur.

Het grote voordeel van zwarte fosfor ten opzichte van grafeen is dat het een natuurlijke bandgap heeft die natuurkundigen kunnen benutten om elektronische apparaten, zoals transistors, te maken. Maar Hanlon en co zeggen dat de hernieuwde beschikbaarheid van zwarte fosfor-nanobladen hen in staat heeft gesteld om ook een aantal andere ideeën te testen.

Ze voegden de nanosheets bijvoorbeeld toe aan een film van polyvinylchloride, waardoor de sterkte ervan werd verdubbeld en de treksterkte verzesvoudigd. Het zijn dus niet alleen koolstofallotropen die de sterkte kunnen vergroten!

Ze bepaalden ook de niet-lineaire optische respons van de nanosheets op een gepulseerde laser door de hoeveelheid licht te meten die wordt doorgelaten. Het blijkt dat de hoeveelheid licht die zwarte fosfor absorbeert afneemt naarmate de intensiteit toeneemt, een eigenschap die bekend staat als verzadigbare absorptie. Bovendien is zwarte fosfor hier zelfs beter in dan grafeen.

Ten slotte maten ze de stroom door de nanosheets terwijl ze werden blootgesteld aan ammoniak. Ze ontdekten dat de weerstand van het materiaal toenam als het in contact kwam met ammoniak, waarschijnlijk omdat ammoniak elektronen afstaat die gaten in de zwarte fosforplaten neutraliseren.

Dat maakt zwarte fosfor meteen een behoorlijke ammoniakdetector. Hanlon en co zeggen dat het materiaal ammoniak kan detecteren met niveaus van ongeveer 80 delen per miljard.

Dit alles zou een interessante stapsgewijze verandering kunnen betekenen in het onderzoek naar zwarte fosfor. Veel mensen zullen de opwinding hebben gezien die gepaard gaat met de opmerkelijke eigenschappen van grafeen. Als zwarte fosfor half zo opmerkelijk is, zou er een interessante toekomst moeten zijn voor materiaalwetenschappers.

Referentie: arxiv.org/abs/1501.01881 : Vloeibare exfoliatie van met oplosmiddel gestabiliseerde zwarte fosfor: toepassingen die verder gaan dan elektronica

zich verstoppen