Uma equipe coreana de cientistas sintoniza a lacuna de banda do fósforo preto para formar um condutor superior, permitindo que a aplicação seja produzida em massa para dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos.

A equipe de pesquisa da Pohang University of Science and Technology (POSTECH), afiliado ao Centro de Sistemas Eletrônicos Artificiais de Baixa Dimensão (CALDES) do Instituto de Ciências Básicas (IBS), relatou um intervalo de banda ajustável em BP, modificar efetivamente o material semicondutor em um estado único da matéria com dispersão anisotrópica. O resultado desta pesquisa permite, potencialmente, grande flexibilidade no projeto e otimização de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, como painéis solares e lasers de telecomunicações.

Para realmente entender o significado das descobertas da equipe, é fundamental compreender a natureza dos materiais bidimensionais (2-D), e para isso é preciso voltar a 2010, quando o mundo dos materiais 2-D era dominado por uma simples folha fina de carbono, uma forma em camadas de átomos de carbono construída para se assemelhar a um favo de mel, chamado grafeno. O grafeno foi anunciado globalmente como um material maravilhoso graças ao trabalho de dois cientistas britânicos que ganharam o Prêmio Nobel de Física por suas pesquisas.

O grafeno é extremamente fino e tem atributos notáveis. É mais forte do que o aço, mas muitas vezes mais leve, mais condutor do que o cobre e mais flexível do que a borracha. Todas essas propriedades combinadas o tornam um tremendo condutor de calor e eletricidade. Uma camada sem defeitos também é impermeável a todos os átomos e moléculas. Este amálgama o torna um material extremamente atraente para ser aplicado a desenvolvimentos científicos em uma ampla variedade de campos, como eletrônicos, aeroespacial e esportes. Apesar de todas as suas promessas deslumbrantes, porém, há uma desvantagem; o grafeno não tem gap.

Trampolins para um estado único

O gap de banda de um material é fundamental para determinar sua condutividade elétrica. Imagine duas travessias de rio, um com trampolins compactos, e a outra com grandes lacunas entre as pedras. O primeiro é muito mais fácil de atravessar porque um salto entre duas pedras bem compactadas requer menos energia. Um gap de banda é praticamente o mesmo; quanto menor a lacuna, mais eficientemente a corrente pode se mover através do material e mais forte a corrente.

O grafeno tem um gap de zero em seu estado natural, Contudo, e assim age como um maestro; o potencial do semicondutor não pode ser realizado porque a condutividade não pode ser desligada, mesmo em baixas temperaturas. Isso obviamente dilui seu apelo como semicondutor, já que desligar a condutividade é uma parte vital da função de um semicondutor.

Nascimento de uma Revolução

O fósforo é o décimo quinto elemento da tabela periódica e empresta seu nome a uma classe inteira de compostos. Na verdade, pode ser considerado um arquétipo da própria química. O fósforo preto é a forma estável do fósforo branco e recebe o nome de sua cor distinta. Como o grafeno, BP é um semicondutor e também barato para ser produzido em massa. A única grande diferença entre os dois é o gap natural da BP, permitindo que o material ligue e desligue sua corrente elétrica. A equipe de pesquisa testou algumas camadas de BP chamadas de fosforeno, que é um alótropo do fósforo.

Keun Su Kim, um professor amável estacionado na POSTECH fala em rajadas rápidas ao detalhar o experimento, "Transferimos elétrons do dopante - potássio - para a superfície do fósforo preto, que confinou os elétrons e nos permitiu manipular esse estado. O potássio produz um forte campo elétrico que é necessário para ajustar o tamanho do gap. "

Este processo de transferência de elétrons é conhecido como doping e induziu um efeito Stark gigante, que sintonizou o gap permitindo que as bandas de valência e condutora se aproximassem, reduzindo efetivamente o gap e alterando-o drasticamente para um valor entre 0,0 ~ 0,6 elétron Volt (eV) de seu valor intrínseco original de 0,35 eV. Professor Kim explicou, "O grafeno é um semimetal Dirac. É mais eficiente em seu estado natural do que o fósforo preto, mas é difícil abrir seu gap; portanto, ajustamos o gap do BP para se assemelhar ao estado natural do grafeno, um estado único da matéria que é diferente dos semicondutores convencionais. "

O potencial para esta nova forma aprimorada de fósforo preto está além de qualquer coisa que a equipe coreana esperava, e muito em breve poderia ser potencialmente aplicado a vários setores, incluindo engenharia, onde engenheiros elétricos podem ajustar a lacuna de banda e criar dispositivos com o comportamento exato desejado. A revolução 2-D, parece, chegou e está aqui por muito tempo.