Estrategia escalable produce nanocintas de fósforo negro de alta calidad para la electrónica

17 de septiembre de 2025 feature

por Ingrid Fadelli, Phys.org

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editado por Sadie Harley, revisado por Robert Egan

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Las nanorrayas de fósforo negro (BPNRs, por sus siglas en inglés), tiras delgadas y estrechas de fósforo negro, son conocidas por exhibir propiedades electrónicas altamente ventajosas, incluido un bandgap ajustable. Esto significa esencialmente que la diferencia de energía entre la región donde los electrones están unidos (es decir, la banda de valencia) y la región donde los electrones se mueven libremente (es decir, la banda de conducción) puede ser fácilmente controlada ajustando el ancho de las nanorrayas.

Un bandgap ajustable es esencial para el desarrollo de transistores, los componentes que controlan el flujo de corriente eléctrica a través de dispositivos electrónicos.

Aunque varios estudios anteriores han destacado la promesa de BPNRs para el desarrollo de la electrónica, aún faltan estrategias que permitan su fabricación confiable a gran escala.

Investigadores de la Universidad de Jiao Tong de Shanghái y otros institutos introdujeron recientemente una nueva estrategia escalable para la realización de BPNRs de alta calidad que son consistentes en tamaño, tienen bordes bien definidos y exhiben defectos mínimos.

Su enfoque propuesto, delineado en un artículo publicado en Nature Materials, se basa en una técnica diseñada para separar materiales en capas aprovechando ondas de sonido ultrasónicas en líquidos.

"Nuestro grupo de investigación ha estado dedicado durante mucho tiempo a identificar materiales de canal ideales para permitir transistores de efecto de campo de alto rendimiento con tamaño reducido y consumo de energía", dijo a Phys.org el Profesor Changxin Chen, quien lideró la investigación.

"Los BPNRs ofrecen ventajas como materiales de canal sobre otros candidatos como nanotubos de carbono, nanorrayas de grafeno y fósforo negro bidimensional (BP). Por ejemplo, los BPNRs son completamente semiconductores, a diferencia de los nanotubos de carbono, que pueden ser semiconductores o metálicos.

"Además, los BPNRs exhiben un equilibrio superior entre movilidad y bandgap que las nanorrayas de grafeno. Los BPNRs también evitan la necesidad de preparar BP bidimensional de pocas capas y gran área, proporcionando bandgaps sustanciales y ampliamente ajustables."

Por algún tiempo, Chen y sus colegas han estado intentando idear una estrategia escalable para realizar BPNRs de alta calidad y estrechos que tengan bordes suaves y orientaciones bien definidas. La estrategia de fabricación introducida en su artículo reciente se basa en una técnica de exfoliación sonocémica recién introducida.

"Primero utilizamos una reacción de transporte de corta distancia para sintetizar cristales de BP con un parámetro de red ligeramente ampliado a lo largo de la dirección de armchair", explicó Chen.

"Este estrés permite que el cristal se descomprima preferentemente a lo largo del plano del cristal perpendicular a la dirección de armchair en lugar de otros planos. Luego, aplicamos condiciones ultrasónicas adecuadas para separar los cristales de BP en capas, dando como resultado BPNRs unidimensionales (1D) de alta calidad."

Con su estrategia recientemente ideada, los investigadores crearon nanorrayas con un ancho centrado en 32 nm que puede ser tan estrecho como 1.5 nm; el más estrecho entre los BPNRs reportados hasta la fecha. Notablemente, su método de fabricación mostró un rendimiento de hasta el 95%.

Además, el ancho estrecho y los bordes en forma de zigzag de los BPNRs resultantes dieron lugar a un gran bandgap, mientras que sus bordes casi atómicamente suaves suprimieron la dispersión de portadores y condujeron a una alta movilidad.

"Logramos BPNRs estrechos de alta calidad con bordes casi atómicamente suaves y orientación de borde bien definida con un alto rendimiento a través de la exfoliación sonocémica de los cristales de BP sintetizados con un parámetro de red ligeramente ampliado a lo largo de la dirección de armchair", dijo Chen.

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"Con los BPNRs preparados, el rendimiento del transistor de efecto de campo con una relación de encendido/apagado de 1.7×106 y una movilidad de 1,506 cm2 V-1 s-1, representando el mejor rendimiento integral entre los FET basados en BPNRs o BP 2D informados hasta ahora."

Como parte de su estudio, Chen y sus colegas demostraron que los BPNRs que crearon también podrían servir como fotodetectores de infrarrojo cercano. De hecho, las estructuras estrechas exhibieron una responsividad de 11.2 A/W y una detectividad específica de 1.1×1011 cm Hz1/2 W-1, superando a la mayoría de los detectores de infrarrojo cercano existentes basados en nanomateriales 1D, nanomateriales 2D y otras estructuras híbridas.

En el futuro, el nuevo enfoque de fabricación ideado por este equipo de investigación podría mejorarse aún más y ser implementado en entornos del mundo real, lo que permitiría la producción a gran escala de BPNRs de alta calidad. Esto, a su vez, podría allanar el camino para el desarrollo de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos compactos que sean significativamente más pequeños que los disponibles hoy en día. 'Como parte de nuestra futura investigación, desarrollaremos estrategias controladas para producir BPNRs de alta calidad con alineación unidireccional y anchos uniformes,' agregó Chen. 'Tales estrategias son cruciales para superar los desafíos actuales en la escalabilidad y variabilidad estructural para BPNRs y, en última instancia, permitirán que los BPNRs se integren de manera confiable en circuitos integrados a gran escala.' Escrito para ti por nuestra autora Ingrid Fadelli, editado por Sadie Harley, y verificado y revisado por Robert Egan, este artículo es el resultado de un trabajo humano cuidadoso. Dependemos de lectores como tú para mantener viva la periodismo científico independiente. Si esta información es importante para ti, por favor considera hacer una donación (especialmente mensual). Obtendrás una cuenta sin publicidad como agradecimiento. Más información: Teng Zhang et al, High-quality narrow black phosphorus nanoribbons with nearly atomically smooth edges and well-defined edge orientation, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02314-7. Información del diario: Nature Materials © 2025 Red de Ciencia X