El fósforo negro es un material cristalino que está atrayendo un creciente interés de investigación por parte de los ingenieros de dispositivos semiconductores. químicos y científicos de materiales para crear películas atómicamente delgadas de alta calidad.

Desde la perspectiva de un material en capas 2-D, el fósforo negro se muestra prometedor para aplicaciones en la electrónica flexible de próxima generación que podrían permitir avances en semiconductores, imagenes medicas, redes de comunicación óptica y de visión nocturna.

Como posible sustituto del grafeno y el silicio, tiene propiedades sobresalientes como bandgap sintonizable, que carece de grafeno. Una banda prohibida, una banda de energía en la que no pueden existir estados de electrones, es esencial para crear el flujo de encendido / apagado de electrones que se necesitan en la lógica digital y para la generación de fotones para LED y láseres.

Desafortunadamente, el fósforo negro es difícil de producir y de mantener. Se degrada rápidamente cuando se expone al aire. Por qué sucede esto y los mecanismos exactos por los que ocurre (si el oxígeno o la humedad en el aire se degradan o ambos) siguen siendo un tema de debate activo en la comunidad de investigadores.

Los investigadores de ingeniería de Vanderbilt han demostrado por primera vez que la reacción del fósforo negro al oxígeno se puede observar a escala atómica utilizando microscopía electrónica de transmisión in situ (TEM).

Los resultados se informan en su artículo, "Visualización de los mecanismos de oxidación en fósforo negro de pocas capas mediante microscopía electrónica de transmisión in situ, "en la American Chemical Society's Materiales e interfaces aplicados diario.

"En la investigación, Muchas veces existen hipótesis diferentes y a menudo contradictorias en la comunidad científica. Sin embargo, la capacidad de observar una reacción con resolución atómica en tiempo real ofrece una claridad muy necesaria para impulsar los avances. Estamos utilizando los conocimientos de nuestros experimentos TEM in situ a resolución atómica en nuestro laboratorio para desarrollar nuevos métodos de síntesis y conservación del fósforo negro. "dijo Piran Kidambi, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular.

"Los enfoques actuales han analizado encapsularlo con una capa de óxido o polímero sin comprender realmente por qué o cómo se produce la oxidación, "dijo Andrew E. Naclerio, estudiante de segundo año de posgrado en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular y primer autor del artículo.

"La mayor parte de la comprensión de la oxidación del fósforo negro se ha basado en los resultados de sondas espectroscópicas, "dijo Kidambi, Consejero de Naclerio. En colaboración con Dmitri Zakharov, científico del personal del Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, el equipo utilizó microscopía electrónica de transmisión ambiental (ETEM), que proporciona observación in situ en tiempo real de información estructural en una muestra y reacción a resolución atómica.

"Este es uno de los pocos microscopios en los Estados Unidos y el mundo con la capacidad de realizar imágenes de resolución atómica mientras se introducen gases y se calienta, ", Dijo Kidambi. La colaboración surgió a partir de una propuesta de usuario revisada por pares y está financiada por el Departamento de Energía (DOE).

"Algunos conocimientos que obtuvimos fueron que la reacción procede a través de la formación de una capa amorfa que posteriormente se evapora. Diferentes bordes cristalográficos conducen a diversos grados de grabado y esto concuerda bien con los cálculos teóricos, "Dijo Kidambi.

La colaboración para cálculos teóricos con dos de los autores del artículo, los investigadores Jeevesh Kumar y Mayank Shrivastava del Instituto Indio de Ciencia en Bangalore, se formó en una conferencia donde se invitó a Kidambi a dar una charla.

El equipo tiene como objetivo sintetizar películas atómicamente delgadas de fósforo negro mediante la deposición de vapor químico, y los conocimientos sobre la oxidación se pueden utilizar para desarrollar técnicas de pasivación eficaces.