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.
«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.
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.