Pozabite grafen, prihaja fosforen

Odkritje grafena leta 2004, ki ima številne uporabne lastnosti in za katerega odkritje je bila podeljena tudi Nobelova nagrada za fiziko leta 2010, je sprožilo iskanje analogov iz drugih spojin. Od grafena se pričakuje veliko tudi na področju elektrotehnike, prav pa bi prišli tudi sorodni materiali, ki bi imeli še boljše lastnosti. Silicen je silicijev ekvivalent grafena, v zadnjem času pa se pogosto omenja fosforén.

Fosforen sestavlja ena plast fosforjevih atomov, podobno kot grafen sestavlja ena plast ogljikovih atomov. Fosfor pri sobnih pogojih naravno najdemo v štirih različnih alotropskih modifikacijah. Najreaktivnejši je beli fosfor, ki ga sestavljalo tetraedrične molekule iz štirih fosforjevih atomov, manj reaktivna sta rdeči in vijolični fosfor, najstabilnejši pa je kristalinični črni fosfor. Slednji ima podobno strukturo kot grafen. V plasteh so v ortorombski ureditvi zloženi fosforjevi atomi, ki jih skupaj držijo kovalentne vezi, medtem ko so vezi med plastmi precej šibkejše van der Waalsove vezi.

Če bi vzeli eno plast črnega fosferja, bi dobili fosforen, ki ima podobne lastnosti kot grafen, zato je v zadnjem času tarča intenzivnih raziskav. Grafen je vzdržljiv, trden in odlično prevoden, kar je tudi njegova šibkost pri gradnji tranzistorjev. Tam potrebujemo polprevodnike, ki imajo zmerno širok prepovedani pas, medtem ko ga grafen sploh nima. Fosforen pa je polprevodnik s primerno širokim prepovedanim pasom.

Fosforen so prvikrat pripravili lani, torej točno deset let po odkritju grafena. Uporabili so celo isto metodo - z lepilnim trkom so zgornjo plast črnega fosforja ločili in dobili fosforen. Pravzaprav niso dobili čisto pravega fosforena, saj je bil še vedno debel nekaj plasti fosforjevih atomov, a je bil dovolj tanek, da je že izkazoval nekatere zanimive lastnosti, ki jih tridimenzionalni kristalinični material ne.

V zadnjem letu smo večkrat brali o različnih postopkih priprave fosforena. Medtem ko je grafen mogoče proizvajati v velikih količinah, za fosforen kakšnega pametnega in poceni postopka še ni. V začetku leta so v Dublinu odkrili metodo (brez lepilnega traku) za proizvodnjo fosforena, a spet le nekaj slojev debelega, ne pa monosloja. Kitajska in ameriška skupina sta uspeli narediti fosforen, ki je debel dva ali tri sloje atomov, kar je že dovolj, da je večina lastnosti monosloja zelo izrazitih, ni pa še čisto dovolj. Že z 20 slojev debelim fosforenom so uspeli narediti prototip fotodetektorja. Raziskovalci iz Kanade pa so pokazali, da se elektroni v fosforenu res vedejo, kot da so samo v dveh dimenzijah, čeprav je material debel nekaj slojev.

Poleg fosforena se preiskujejo še nekateri drugi materiali, denimo molibdenov disulfid s podobno širokim prepovedanim pasom, ki pa ga je teže pripraviti, ker sestoji iz dvojih različnih atomov. Silicen in germanen (germanijev ekvivalent) pa imata težavo, da sta manj stabilna od fosforena, torej hitreje reagirata z zrakom oziroma vlago v njem. Fosforenu bi lahko lastnosti še izboljšali, če bi ga dopirali z arzenom, pa so pokazali Nemci. V sodelovanju z Univerzo Yale so iz fosforena z arzenom izdelali tranzistor na poljski pojav. S spreminjanjem koncentracije arzena je mogoče nadzorovati širino prepovedanega pasu, kar jim bo omogočilo izdelavo detektorje IR.