Descoberto há mais de 100 anos, o fósforo preto foi logo esquecido quando não havia uso aparente para ele. No que pode vir a ser uma das grandes histórias de retorno da engenharia elétrica, agora ele desempenha um papel crucial no futuro dos dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos.

Com a recente descoberta de uma equipe de pesquisa, o material possivelmente poderia substituir o silício como o material principal para a eletrônica. A pesquisa da equipe, liderado por Fengnian Xia, Barton L. Weller, Professor Associado de Yale em Engenharia e Ciência, é publicado no jornal Nature Communications 19 de abril.

Com o silício como semicondutor, a busca por dispositivos eletrônicos cada vez menores pode em breve atingir seu limite. Com uma espessura de apenas algumas camadas atômicas, Contudo, o fósforo preto pode inaugurar uma nova geração de dispositivos menores, eletrônica flexível, e transistores mais rápidos, dizem os pesquisadores.

Isso se deve a duas propriedades principais. Uma é que o fósforo preto tem uma mobilidade maior do que o silício, ou seja, a velocidade com que pode carregar uma carga elétrica. A outra é que tem um bandgap, que dá a um material a capacidade de atuar como um interruptor; ele pode ligar e desligar na presença de um campo elétrico e atuar como um semicondutor. Grafeno, outro material que tem gerado grande interesse nos últimos anos, tem uma mobilidade muito alta, mas não tem bandgap.

Contudo, Encontrar uma maneira de controlar o bandgap do fósforo preto é fundamental para a realização de suas aplicações potenciais. Para esse fim, os pesquisadores descobriram que o bandgap do material é mais controlável em uma certa espessura. Ao aplicar um campo elétrico vertical ao material nessa espessura, os pesquisadores podem "sintonizar" o bandgap, essencialmente reduzindo a lacuna moderada até o ponto em que quase fecha.

Isso abre muitas aplicações potenciais para o fósforo preto, como ferramentas de imagem, dispositivos de visão noturna, moduladores ópticos de infravermelho médio, ferramentas de espectroscopia no chip, e outras tecnologias optoeletrônicas.

"Antes deste estudo, o bandgap do fósforo preto não pode ser ajustado dinamicamente, limitando suas aplicações em optoeletrônica, "disse Bingchen Deng, autor principal do estudo e Ph.D. estudante no laboratório de Xia.

Encontrar a espessura ideal exigiu algumas tentativas e erros. "Inicialmente, tentamos uma amostra de 4 nanômetros de espessura, e descobrimos que a afinação do bandgap não era muito pronunciada, "Deng disse.

Deng também observou que ter um bandgap que pode ser controlado significa que o fósforo preto poderia ser potencialmente usado como um isolante topológico, um material com a capacidade incomum de servir tanto como isolante (dentro do material) quanto como condutor (em sua superfície). Os pesquisadores estão particularmente interessados ​​em isoladores topológicos, já que podem ser a chave para o desenvolvimento de eletrônicos de baixa potência, nos quais os elétrons da superfície não sofrem dispersão.