Fosforen – następca grafenu? Nowy materiał elektroniczny pod lupą naszych naukowców

  • Fosforen jest giętki jak grafen. Ma nawet bardzo podobną strukturę. Jednak w przeciwieństwie do słynnego grafenu jest naturalnym półprzewodnikiem, a ta właściwość niesie za sobą wiele zalet. 

     

    Dr hab. inż. Robert Bogdanowicz z Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki pokieruje zespołem, który sprawdzi jak fosforen – jako materiał elektroniczny – współpracuje z materiałami organicznymi. Na ten cel badacze mogą przeznaczyć blisko 1,5 mln zł (program SONATA BIS, panel ST7).

    – To materiał dwuwymiarowy w stu procentach składający się z fosforu. Podobnie jak w grafenie siatka ma układ sześciokątny, lecz jest nieco bardziej pofałdowana ze względu na wiązania. Wiązania fosforenu można porównać do zazębiających się literek „w”. Takich warstw może być nieskończenie wiele. Jednak w zależności od liczby warstw, jakie ułożymy na sobie zmienia się przerwa energetyczna tego materiału – opowiada dr hab. inż. Robert Bogdanowicz, adiunkt w Katedrze Metrologii i Optoelektroniki.

    Fakt, że fosforen posiada naturalną przerwę energetyczną bardzo cieszy i interesuje elektroników nowej generacji. Z tego powodu materiał ten może być przydatny m.in. do wytwarzania cienkich, a przy tym elastycznych układów elektronicznych, które mogą być łatwiej chłodzone niż obecne, wykonywane z krzemu. Pierwsze takie eskperymentalne układy już na świecie powstały.

    – Dzięki przerwie energetycznej fosforen można łatwo przełączać między izolatorem a przewodzeniem. Mimo to materiał zostaje wciąż na tyle płaski, aby ograniczyć rozpływ elektronów. Ładunek płynie szybko, co prowadzi do stosunkowo wysokiej mobilności, która jest niezwykle ważna w zastosowaniach elektronicznych – wyjaśnia kierownik projektu.

    Dr Bogdanowicz zaznacza, że pierwsze doniesienia na temat czarnego fosforu (z którego można wyizolować warstewkę fosforenu) pochodzą z lat 60. Do badań nad tym materiałem naukowcy powrócili jednak dopiero w 2014 r. Wówczas grupy badawcze ze Stanów Zjednoczonych i Chin poinformowały, że pracują nad obiecującym fosforenem. Na kanwie tych doniesień naukowcy PG również postanowili rozpocząć badania dotyczące tegoż materiału.

    – Fosforen zmienia swoje cechy w zależności od tego co go otacza. Na tej właściwości skupimy się w naszych badaniach – mówi dr Bogdanowicz.

    W projekt zatytułowany: „Dwuwymiarowe nanostruktury fosforenowe – synteza i badania funkcjonalnych optoelektrochemicznych układów biosensorycznych” obok naukowców z PG zaangażowani są biotechnolodzy z Uniwersytetu Gdańskiego.

    Jakie obawy ma zespół? Jedynie technologiczne. Kilkuwarstwowy fosforen otrzymuje się przez mechaniczną eksfoliację (np. za pomocą taśmy klejącej) z kryształu czarnego fosforu. Jest on niezwykle wrażliwy na środowisko zewnętrzne. W ciągu godziny od ekspozycji zachodzi nieodwracalna modyfikacja materiału, poprzedzona zmianami właściwości elektrycznych i fizykochemicznych. Fosforen musi być zatem używany i badany w próżni lub skutecznie zamknięty. Dlatego właśnie autorzy projektu proponują zastosowanie nanodiamentowych folii wytwarzanych w laboratorium WETI do jednoczesnej selektywnej hermetyzacji fosforenu, jak i przekazywania sygnału elektrycznego.

    Naukowcy chcieliby zastosować te zjawiska do celów wykrywania zmian w otoczeniu fosforenu. Głównym celem badań jest ocena różnych metod syntezy fosforenu i przeprowadzenia szczegółowych studiów nad jego parametrami elektronicznymi w różnych środowiskach biologicznych.

    – Można sobie wyobrazić, co jest oczywiście pieśnią przyszłości, że fosforen będzie mógł być stosowany w układach nanoszonych na skórę lub implantowanych biosensorach, które monitorują nawet najbardziej intymne procesy biologiczne lub w interakcji z układem nerwowym człowieka, takich jak rozciągliwa elektronika lub bioelektronika – mówi dr Robert Bogdanowicz. – Dlatego nasz projekt nastawiony jest na zbadanie interakcji zachodzących pomiędzy fosforenem, który jest biokompatybilnym materiałem elektronicznym, a różnymi układami białkowymi, głównie ludzkimi.

    Realizacja projektu zakończy się za 4 lata. 

     

Galeria zdjęć