Повышенный интерес к графену подтолкнул исследователей к идее поиска подобных «чудесных» свойств у других двумерных материалов, которые потенциально могут использоваться в электронных устройствах следующего поколения. Как выяснилось, объемный фосфор сочетает в себе лучшие черты двумерных материалов – высокую мобильность носителей заряда и широкую запрещенную зону. Однако использование двумерного фосфора (фосфорена) в устройствах пока было невозможно из-за его низкой стабильности на воздухе и сравнительно малой подвижности электронов. Теперь же, эти проблемы были устранены учеными из США при помощи создания композита из листа фосфорена, размещенного между двумя листами нитрида бора. Как выяснилось, ключ в «улучшении» свойств двумерного фосфора – в гексагональном строении листов нитрида бора.

Исследования графена, представляющего собой двумерный лист атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку, стимулировали научно-исследовательскую деятельность в направлении других двумерных материалов.

Графен отличается чрезвычайно высокой подвижностью зарядов, которая очень привлекательна для новых технологий, но отсутствие в нем запрещенной зоны для носителей заряда делает этот материал непригодным для непосредственного использования в электронных устройствах. В результате, ученые обращают внимание на двумерные устройства с менее впечатляющими свойствами (даже с довольно низкой мобильностью носителей заряда).

С учетом высокой подвижности носителей заряда в черном фосфоре, двумерный его аналог, фосфорен, был бы перспективным кандидатом для использования в электронике, если бы он был стабилен на воздухе. К сожалению,

фосфорен хорошо реагирует с кислородом и водой. Реакция идет медленно, но успевает повредить устройство за 1 – 2 дня. Кроме того, мобильность зарядов в двумерном листе фосфорена также не высока (на несколько порядков ниже графена).

Для решения перечисленных проблем группа ученых из Department of Physics and Astronomy at University of California (США) предложила использовать «сэндвич», сформированный из фосфорена, зажатого между двумя листами нитрида бора, защищающего его от воздуха.

Подход был разработан на основе опыта работы с графеном. Листы нитрида бора – хорошие изоляторы. Кроме того, они отличаются тем, что не имеют оборванных связей, что снижает рассеяние электронов на примесях. Таким образом, нитрид бора помогает не только защитить лист фосфорена, но и улучшить его электронные свойства.

Хотя ранее было сделано уже несколько неудачных попыток защитить фосфорен при помощи нитрида бора, исследовательской группе удалось впервые продемонстрировать улучшение стабильности и повышение мобильности зарядов таким способом. Для этого им пришлось преодолеть некоторые технические проблемы, связанные с изготовлением устройств, в частности, разработать схему формирования фосфорена и нитрида бора на подложках и обеспечения хорошего контакта между ними после соединения.

Эксперимент показал, что

созданное устройство стабильно на воздухе в течение более чем 2 недель. Кроме того, оно отличается наиболее высокой подвижностью носителей зарядов среди двумерных материалов (за исключением графена).

Исследователи также изучили поведение устройства при различных температурах. Выяснилось, что

при низких температурах подвижность носителей заряда значительно повышается (при этом сопротивление увеличивается).

Также было измерено сопротивление устройства при повышении напряжения затвора в присутствии внешнего магнитного поля. Измерения показали колебания сопротивления, известные как, колебания Шубникова-де Гааза (взаимодействие между током и магнитным полем приводит к циклотронному движению электронов; его квантование и определяет осцилляции). Наблюдения впервые выявили квантовые осцилляции в неграфеновых двумерных структурах.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале 2D Materials.