Un tratamiento químico protege y mejora un prometedor material 2-D

Los copos ultrafinos de fósforo negro pueden jactarse de presentar una impresionante colección de propiedades físicas que los convierten en un material semiconductor muy deseado en sistemas electrónicos rápidos y flexibles. Desgraciadamente, el fósforo negro se degrada rápidamente en contacto con el aire, lo que altera estas propiedades y arruina la perspectiva de darle aplicaciones.

Un nuevo tratamiento químico puede ser lo que se necesitaría para poder llegar a usar el fósforo negro como material electrónico bidimensional de gran rendimiento.

Un equipo de investigadores de la Universidad Northwestern (Illinois, EE.UU.), liderado por Mark C. Hersam, catedrático de ciencia de los materiales y de química, ha publicado la pasivación de copos de fósforo negro tras tratarlos con una disolución de un derivado de bencenodiazonio, lo que protege el material y resulta en la mejora de sus propiedades electrónicas (Nat. Chem. 2016, DOI: 10.1038/nchem.2505).

El fósforo negro es la forma alotrópica termodinámicamente más estable del fósforo. Comparado con otros materiales 2-D, el fósforo negro tiene una combinación de propiedades que le dan usos potenciales en optoelectrónica, almacenamiento de energía y sensores moleculares.

Entre estas propiedades se incluyen una elevada movilidad de portadores de carga y la posibilidad de calibrar la brecha energética entre la banda de valencia y la banda de conducción, lo que puede aprovecharse para personalizar las propiedades electrónicas del material.

El problema surge cuando se preparan películas de fósforo negro de grosores en escala nanométrica, donde se degrada en presencia de agua y oxígeno. Esa sensibilidad llevó a los investigadores a desarrollar métodos que pudiesen proteger este material.

Para evaluar este nuevo tratamiento químico, el equipo de la Northwestern preparó copos de fósforo negro de unos 10 nm de espesor retirando capas de un pequeño trozo del material. Se trató entonces las muestras con disoluciones de diferentes concentraciones de sales de tetrafluoroborato de 4-nitrobencenodiazonio y de 4-metoxibencenodiazonio.

Los investigadores descubrieron que las muestras no tratadas reaccionaban con la humedad atmosférica y oxígeno formando óxido de fósforo. Esta oxidación resulta en una disminución de la conductividad de las muestras. Además, se pudo observar por microscopia de fuerza atómica (AFM, por sus siglas en inglés) que aparecían irregularidades en la superficie.   

Pero, por otro lado, las muestras tratadas resistían la degradación. El grupo observó, mediante análisis espectroscópicos, que las sales de diazonio funcionalizan los copos formando nuevos enlaces covalentes P–C. Empleando la AFM, se descubrió que el tratamiento químico protege al fósforo negro de la oxidación durante 25 días.

Para estimar cómo afecta el tratamiento a las propiedades electrónicas del fósforo negro, el grupo fabricó unos aparatos denominados transistores de efecto campo (FETs, por sus siglas en inglés). Los copos funcionaban como el canal de los FETs, que es el componente del circuito electrónico por el que la carga pasa entre los electrodos. Vieron que el tratamiento químico aumenta la movilidad de carga, conllevando a una mayor diferencia entre las corrientes que fluyen en los estados “encendido” y “apagado” del aparato, un requerimiento básico en interruptores de respuesta rápida.

David Tomanek, catedrático de física en la Universidad Estatal de Míchigan (Míchigan, EE. UU.), comenta que estudios anteriores sobre la pasivación de fósforo negro se basaron en colocar el material entre capas protectoras. Por eso añade que este nuevo método difiere de todos ellos y parece ser de utilidad: pasiva el material y mejora sus propiedades.

El pionero en estudios sobre fósforo negro, Fengnian Xia, de la Universidad Yale (Connecticut, EE. UU.), destaca que los científicos autores de este estudio pudieron modificar el tratamiento químico para adaptar ciertas propiedades electrónicas a sus necesidades, para finalmente añadir que “éste es un paso importantísimo en el uso de fósforo negro en nanoelectrónica y nanofotónica”.

Traducción al español producida por Greco González Miera de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.