Открытый десять лет назад графен, несмотря на несколько выдающихся качеств, несёт в себе и врождённые ограничения — такие, например, как отсутствие запрещённой зоны, обязательной для полупроводников.
Именно поэтому Пэйдэ «Питер» Е (Peide Ye) и его коллеги из Университета Пердью (США) попробовали выделить аналог графена из чёрного фосфора — многослойной структуры, про которую сам г-н Пэйдэ так и говорит: «Посмотрев на его свойства в Википедии, уже через полчаса я понял, что у него есть потенциал». Потенциал для того, чтобы стать сырьём для получения одноатомных пластин фосфора.
Структура у нового материала не плоская, поскольку каждый его слой представляет собой «гофрированную» пластинку из атомов фосфора. (Здесь и ниже иллюстрации Peide Ye.)
«Технология» получения фосфорена пока ничем не отличается от того, что было явлено г-ми Геймом и Новосёловым в первые дни графена: липкая лента и чёрный фосфор, от которого этой лентой отрываются всё более тонкие слои. Кустарщина, конечно, но для изучения базисных свойств большего и не нужно. Что же удалось выяснить?
Материаловеды создали простейший транзистор из фосфора и взглянули на его свойства как полупроводника. Оказалось, что он имеет вполне себе запрещённую зону, и это одно из его преимуществ перед графеном.
В теории материалы, сходные с графеном (тонкие одноатомные слои), с кремнием уже применялись, породив силицен. Хотя последний — полупроводник, тем не менее его особенности, в том числе врождённая тяга к самоуничтожению, исключают создание на его основе работающих транзисторов. Станен — столь же перспективный (как и графен) материал на основе олова — пока, к сожалению, трудно получить в виде пластин, отчего его свойства всё ещё известны больше по теоретическим симуляциям, нежели по натурным исследованиям. Похоже, фосфорен — пока единственный естественный двумерный полупроводник р-типа, который есть в загашнике у материаловедов.
И всё же говорить о тождественности топологии графена и фосфорена в том, что касается их полной двумерности, пока стоит с большой осторожностью. Фосфор имеет три ковалентные связи, а не четыре, как углерод, а потому его поверхность сильно «вспучена», будучи не такой плоской, как у графена. В то же время это придаёт ему дополнительные возможности, связанные с наличием запрещённой зоны. Поэтому на практике сильные стороны этого материала являются порождением его неполной двумерности. По итогам экспериментов, модулирование тока на стоке у опытного фосфоренового транзистора, размещённого на подложке из оксида кремния, на четыре порядка лучше, чем у графена, и максимальный уровень модуляции для фосфорена всё ещё не достигнут, подчёркивают учёные. Ограничением пока служит подложка из этого самого оксида кремния.
Из фосфорена уже созданы предельно простые транзисторы, причём успешно работающие.
Что у него с подвижностью электронов? Она зависит от толщины слоя фосфорена, которая на практике пока колеблется. Если у американской группы, возглавляемой Пэйдэ Е, для сравнительно толстого образца она составила примерно 286 см²/В•с , то у китайской, ведомой Юаньбо Чжаном (Yuanbo Zhang) из Фуданьского университета, для дырок она достигает 1 000 см²/В•с (для куска фосфорена толщиной 10 нм). В то же время в опытах с другой толщиной пластины подвижность может быть «примерно меньше или больше», хотя точные границы значений станут ясны лишь после дополнительных исследований.
Особо подчёркивается, что с помощью двумерных полупроводников р-типа, представленных фосфореном, можно получить «напарников» для двумерных полупроводников n-типа, вроде дисульфида молибдена. И американская группа уже создала CIMOS-инвертор, где фосфорен функционирует в PMOS-, а дисульфид молибдена — в NMOS-структурах.
Как считают учёные, работоспособность такого сочетания означает, что сразу после создания технологий массового производства материалов на основе фосфорена он может быть использован в электронике современного типа, значительно улучшая её характеристики без необходимости в применении транзисторов нетривиальных схем, как это имеет место с графеном.
