Чёрные фосфорные наноленты (BPNRs) — это тонкие и узкие ленточные полоски из чёрного фосфора. Известно, что они обладают весьма выгодными электронными свойствами, включая перестраиваемую запрещённую зону. Это означает, что разницу энергий между зоной, где электроны связаны вместе (валентная зона), и зоной, где они движутся свободно (зона проводимости), можно легко контролировать, регулируя ширину нанолент.
Перестраиваемая запрещённая зона имеет важное значение для разработки транзисторов — компонентов, которые контролируют поток электрического тока через электронные устройства.
Хотя в ряде прошлых исследований подчёркивалась перспективность BPNRs для развития электроники, стратегии, которые могли бы обеспечить их надёжное изготовление в больших масштабах, всё ещё отсутствуют.
Исследователи из Шанхайского Jiao Tong University и других институтов недавно представили новую масштабируемую стратегию для получения высококачественных BPNRs, которые имеют согласованные размеры, чётко определённые края и минимальные дефекты.
Их подход, описанный в статье, опубликованной в Nature Materials, основан на методе, предназначенном для разделения слоистых материалов с помощью ультразвуковых звуковых волн в жидкостях.
Профессор Чансинь Чен, возглавлявший исследование, рассказал Phys.org: «Наша исследовательская группа давно занимается поиском идеальных материалов для каналов, которые позволили бы создавать высокопроизводительные полевые транзисторы уменьшенного размера и с пониженным энергопотреблением. BPNRs обладают преимуществами перед другими кандидатами, такими как углеродные нанотрубки, графеновые наноленты и двумерный (2D) чёрный фосфор (BP). Например, BPNRs полностью полупроводниковые, в отличие от углеродных нанотрубок, которые могут быть полупроводниковыми или металлическими. Кроме того, BPNRs демонстрируют более выгодный компромисс между подвижностью и запрещённой зоной, чем графеновые наноленты. BPNRs также позволяют избежать необходимости получения больших площадей двумерного BP, обеспечивая значительные и широко перестраиваемые запрещённые зоны».
Чен и его коллеги уже некоторое время пытаются разработать масштабируемую стратегию для получения высококачественных и узких BPNRs с гладкими краями и чётко определённой ориентацией. Стратегия изготовления, представленная в их недавней статье, основана на недавно внедрённой сонохимической технике отшелушивания.
«Сначала мы использовали транспортную реакцию короткого пути для синтеза объёмных кристаллов BP со слегка увеличенным параметром решётки вдоль направления „кресло“, — объяснил Чен. — Это напряжение позволяет кристаллу предпочтительно расстёгиваться вдоль плоскости кристалла, перпендикулярной направлению „кресло“, а не другим плоскостям. Затем мы применили подходящие ультразвуковые условия для расстёгивания объёмных кристаллов BP, в результате чего получили одномерные (1D) высококачественные BPNRs».
С помощью своей новой стратегии исследователи создали наноленты шириной около 32 нм, которые могут быть такими же узкими, как 1,5 нм — самыми узкими среди BPNRs, о которых сообщалось на сегодняшний день. Примечательно, что их метод изготовления показал выход до 95%.
Более того, узкая ширина и зигзагообразные края полученных BPNRs привели к большой запрещённой зоне, а их почти атомарно гладкие края подавили рассеяние носителей и привели к высокой подвижности.
«Мы достигли высококачественных, узких BPNRs с почти атомарно гладкими краями и чётко определённой ориентацией краёв при высоком выходе с помощью сонохимического отшелушивания синтезированных объёмных кристаллов BP со слегка увеличенным параметром решётки вдоль направления „кресло“», — сказал Чен.
В рамках своего исследования Чен и его коллеги показали, что созданные ими BPNRs могут также служить фотодетекторами ближнего инфракрасного диапазона. Узкие структуры продемонстрировали чувствительность 11,2 А/Вт и удельную обнаруживаемость 1,1×10¹¹ см Гц¹/² Вт⁻¹, превзойдя большинство существующих детекторов ближнего инфракрасного диапазона на основе одномерных наноматериалов, двумерных наноматериалов и других гибридных структур.
В будущем новый подход к изготовлению, разработанный этой исследовательской группой, может быть дополнительно усовершенствован и внедрён в реальных условиях, что позволит наладить крупномасштабное производство высококачественных BPNRs. Это, в свою очередь, может проложить путь для разработки компактных электронных и оптоэлектронных устройств, которые будут значительно меньше, чем те, что доступны сегодня.
«В рамках наших будущих исследований мы разработаем контролируемые стратегии для получения высококачественных BPNRs с однонаправленной ориентацией и равномерной шириной», — добавил Чен. «Такие стратегии имеют решающее значение для преодоления текущих проблем масштабируемости и структурной изменчивости BPNRs и в конечном итоге позволят надёжно интегрировать BPNRs в крупномасштабные интегральные схемы».