Zvětšit obrázek

Ampule s černým fosforem. Kredit: Alshaer666, Wikimedia Commons.

Podivuhodný grafen, který tvoří atomy uhlíku uspořádané do šestiúhelníků v rovinné síti, se stal mediální hyperhvězdou a jeho objevitelé Andre Geim a Konstantin Novoselov z Univerzity v Manchesteru v roce 2010 sklidili Nobelovu cenu za fyziku. Seznam jeho zvláštností je impozantní, zvlášť jeho elektrony se chovají, jako kdyby byly z jiného světa. Sviští grafenem, jako by neměly žádnou efektivní hmotnost, mnohem rychleji, než se pohybují dýchavičné elektrony v křemíku. Proto mnozí očekávají, že křemíkové mikročipy půjdou do šrotu a že jejich místo zaujme grafenová elektronika. Zdálo by se, že postavení grafenu je naprosto neotřesitelné a že nás čeká zářná grafenová budoucnost. Jenže čert a materiáloví vědci nikdy nespí.

Peide Ye. Kredit: Purdue University.

Snění o grafenových zítřcích teď poněkud zkveruloval Peide Ye z Purdueho univerzity ve West Lafayette, Indiana. Podle něj má grafen pro aplikace v elektronice zásadní hendikep, elektrony v něm totiž létají až příliš rychle. To podle něj představuje problém při konstrukci tranzistorů a proto prý grafen vlastně nikdy nebude pro křemík v elektronice doopravdovým soupeřem. To ale ještě neznamená, že by byl křemík neporazitelný a že by vládl na věčné časy.

Zvětšit obrázek

Struktura černého fosforu. Kredit: NEUROtiker, Wikimedia Commons.

Sám Ye strávil výzkumem uhrančivého grafenu dlouhou dobou. Nedávno ho ale jeden kolega upozornil na jednu alotropickou formu fosforu, takzvaný černý fosfor (black phosphorus), který měl mít vrstevnatou strukturu. Černý fosfor je při pokojové teplotě a tlaku termodynamicky stabilní forma fosforu, která se v mnoha ohledech podobá grafitu. Lze ho získat například zahříváním bílého fosforu při tlaku 12 tisíc atmosfér anebo relativně snadno syntézou z červeného fosforu, za přítomnosti špetky zlata, cínu a jodidu cíničitého. Ye během půlhodinky zjistil, že tenhle fosfor má veliký potenciál a události nabraly rychlý spád. Ukázalo se, že z krystalů černého fosforu lze s lepící páskou, jak říká Ye „it’s very low tech“, odtrhnout vrstvy o tloušťce pár atomů. Velice podobný trikem  přitom získali Geim s Novoselovem vrstvy grafenu z hrotu obyčejné tužky. Ye a spol. teď razí pro vrstvy černého fosforu o síle jednoho atomu sexy název fosforen (phosphorene). Doufejme, že uspějí. Zní to skvěle a dává smysl, jde vlastně o grafen, v němž jsou namísto uhlíků atomy fosforu. Ve skutečnosti už postavili jednoduché tranzistory, v nichž použili vrstvičky fosforenu. Názorně tím předvedli, že fosforen může být spojován s dalšími vrstevnatými materiály a také s křemíkem.

Zvětšit obrázek

Obr4 – Proměny alotropických forem fosforu. Kredit: UserXresu, Wikimedia Commons.

Pochopitelně ještě zbývá vyřešit celou řadu otázek. Není například jasné, jak spolehlivá bude výroba větších plátů fosforenu, které nejspíš budou potřebné pro budoucí aplikace. Zatím ale vše nasvědčuje tomu, že je fosforen na koni. S fosforenovými tranzistory už pracuje i tým Univerzity Fudan v Šanghaji. Sankar Das Sarma z Univerzity v Marylandu se zase nechal slyšet, že přirozený polovodičový charakter fosforenu má jasně navrch nad grafenem. Stejně tak se fosforen zdá být lepší, než podobné materiály z dalších konkurenčních prvků.
Například takový silicen, materiál ze supertenkých vrstev křemíkových atomů by teoreticky měl být obstojný polovodič, tak jako fosforen a zároveň by měl vést elektřinu podobně jako grafen. Potíž je v tom, že se vyrábí mnohem obtížněji než fosforen a grafen a má sklon sám sebe zničit náhlou krystalizací. Velmi zajímavě působí stanen, čili obdoba grafenu z atomů cínu s příměsí atomů fluoru, o němž jsme nedávno psali na OSLU. Ten ale zatím existuje v podstatě jenom ve spleti výpočtů a teprve se ukáže, co je vlastně zač.

VIDEO

Video : "Fosfor" je z kanálu thechemistryquestion

Literatura

NewScientist 24. 1. 2014, arXiv:1401.4133, Wikipedia (Allotropes of phosphorus/ Black phosphorus, Graphene).