Исследователи из Центра многомерных углеродных материалов (CMCM) при Институте фундаментальных наук (IBS) обнаружили, что один из конкурентов графена, черный фосфор, инертен к воде, лишенной кислорода, что положило конец спорам о том, является ли вода вызывает его деградацию. Их исследование, принятое Химией материалов, дает более полное представление о роли молекулярного кислорода и воды в разложении черного фосфора.
Черный фосфор - это двухмерный материал, структурно похожий на графен, с исключительными электрическими и оптоэлектрическими свойствами. Однако, в отличие от графена, черный фосфор имеет то преимущество, что имеет настраиваемую ширину запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны - это энергетический барьер, необходимый для управления потоком электронов, как выключатель. Ширина запрещенной зоны черного фосфора зависит от количества слоев черного фосфора: чем больше слоев, тем меньше ширина запрещенной зоны. Это делает его интересным для наноэлектронных и фотоэлектронных устройств следующего поколения. Однако кажущаяся нестабильность черного фосфора по отношению к кислороду и воде никогда ранее не рассматривалась.
Команда IBS поставила под сомнение предыдущее мнение о механизмах деградации черного фосфора. Исследователи протестировали образцы черного фосфора в различных условиях. Они проверили, есть ли разница между водой, содержащей воздух, и деаэрированной водой. Они обнаружили, что физические и электронные свойства образцов, хранившихся в деаэрированной воде, не ухудшались.
Чтобы еще больше прояснить роль кислорода в разложении черного фосфора, исследователи IBS провели эксперименты с различными изотопами кислорода (кислород-18 и кислород-16). Они использовали газ с кислородом-18 и воду с кислородом-16, чтобы можно было определить, был ли ущерб вызван кислородом, водой или обоими. Результаты подтвердили, что не вода, а кислород взаимодействует с черным фосфором.
Кроме того, исследователи IBS обнаружили, что поверхность черного фосфора на самом деле гидрофобна, в отличие от предыдущих экспериментов. «Раньше считалось, что вода может реагировать с черным фосфором, но благодаря этим экспериментам мы можем быть уверены, что именно кислород, а не вода, повреждает черный фосфор», - отмечает профессор Родни Руфф, директор CMCM и автор-корреспондент.
Вода сама по себе не причиняет никакого вреда, потому что она просто поглощается поверхностью чешуек черного фосфора как неповрежденная молекула. Вместо этого кислород диссоциирует на два атома кислорода и окисляет чешуйки. Как только материал окисляется кислородом вода впитывается сильнее, превращая материал из гидрофобного в гидрофильный», - объясняет Руофф.
Итак, вода (лишенная кислорода) вызывает лишь небольшие изменения из-за того, что трудно избавиться от всего кислорода в нашей среде, но кислород существенно модифицирует электронную структуру этого двумерного материала и ускоряет его деградация.
Эти результаты могут открыть новые пути для изучения приложений, требующих контакта с водными растворами, таких как: стробирование растворов; электрохимия; и растворные подходы для отшелушивания, диспергирования и доставки черного фосфора.