Strategia scalabile produce nanoribbon di fosforo nero di alta qualità per l'elettronica

17 settembre 2025                                  caratteristica

di Ingrid Fadelli, Phys.org

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modificato da                                                 Sadie Harley,                                                 revisionato da Robert Egan

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I nanonastri di fosforo nero (BPNR), sottili e strette strisce simili a nastri di fosforo nero, sono noti per le loro altamente vantaggiose proprietà elettroniche, tra cui una bandgap regolabile. Questo significa essenzialmente che la differenza di energia tra la regione in cui gli elettroni sono legati insieme (cioè la banda di valenza) e quella in cui gli elettroni si muovono liberamente (cioè la banda di conduzione) può essere facilmente controllata regolando la larghezza dei nanonastri.

Una bandgap regolabile è essenziale per lo sviluppo dei transistor, i componenti che controllano il flusso di corrente elettrica attraverso i dispositivi elettronici.

Mentre diversi studi passati hanno sottolineato la promessa dei BPNR per lo sviluppo dell'elettronica, le strategie che potrebbero consentire la loro affidabile fabbricazione su larga scala sono ancora carenti.

Ricercatori dell'Università di Shanghai Jiao Tong e di altri istituti hanno recentemente introdotto una nuova strategia scalabile per la realizzazione di BPNR di alta qualità, che sono consistenti in termini di dimensioni, hanno bordi ben definiti e presentano minimi difetti.

Il loro approccio proposto, delineato in un articolo pubblicato su Nature Materials, si basa su una tecnica progettata per separare i materiali layer mediante l'utilizzo di onde sonore ultrasoniche in liquidi.

"Il nostro gruppo di ricerca si è da tempo dedicato all'identificazione di materiali ideali per i canali che consentano di realizzare transistor a effetto di campo ad alte prestazioni con dimensioni ridotte e consumo energetico ridotto," ha detto Phys.org il professor Changxin Chen, che ha guidato la ricerca.

"I BPNR offrono vantaggi come materiali di canale rispetto ad altri candidati come i nanotubi di carbonio, i nanonastri di grafene e il fosforo nero bidimensionale (BP). Ad esempio, i BPNR sono completamente semiconduttori, a differenza dei nanotubi di carbonio che possono essere semiconduttori o metallici.

"Inoltre, i BPNR mostrano un compromesso superiore tra mobilità e bandgap rispetto ai nanonastri di grafene. I BPNR evitano anche la necessità di preparare BP bidimensionale a larghezza estesa, fornendo ampi e ampiamente regolabili bandgap."

Da tempo, Chen e i suoi colleghi hanno cercato di ideare una strategia scalabile per realizzare BPNR di alta qualità e stretti con bordi lisci e orientamenti ben definiti. La strategia di fabbricazione introdotta nel loro recente articolo si basa su una tecnica di esfoliazione sonochimica recentemente introdotta.

"Abbiamo prima usato una reazione di trasporto a breve distanza per sintetizzare cristalli di BP massiccio con un parametro reticolare leggermente allargato lungo la direzione a zigzag," ha spiegato Chen.

"Questo stress consente al cristallo di aprirsi preferibilmente lungo il piano del cristallo perpendicolare alla direzione del zigzag anziché ad altri piani. Poi, abbiamo applicato opportune condizioni ultrasoniche per aprire i cristalli di BP massiccio, producendo così nanonastri di alta qualità unidimensionali (1D)."

Con la loro strategia appena ideata, i ricercatori hanno creato nanonastri con una larghezza centrata sui 32 nm che possono arrivare a essere stretti fino a 1,5 nm; i più stretti tra i BPNR finora riportati. Inoltre, il loro metodo di fabbricazione ha mostrato un rendimento fino al 95%.

Inoltre, la stretta larghezza e i bordi a zigzag dei BPNR risultanti hanno generato un ampio bandgap, mentre i loro bordi quasi atomicamente lisci hanno soppresso la dispersione dei portatori e hanno portato a una elevata mobilità.

"Abbiamo ottenuto BPNR stretti di alta qualità con bordi quasi atomicamente lisci e orientamento del bordo ben definito con un elevato rendimento attraverso l'esfoliazione sonochimica dei cristalli di BP massiccio sintetizzati con un parametro reticolare leggermente allargato lungo la direzione a zigzag," ha detto Chen.

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"Con i BPNR preparati, le prestazioni del transistor a effetto di campo con un rapporto on/off di 1,7×106 e una mobilità di 1506 cm2 V-1 s-1, rappresentano le prestazioni complessive più elevate tra i FET basati su BPNR o BP 2D riportati finora."

Come parte del loro studio, Chen e i suoi colleghi hanno dimostrato che i BPNR che hanno creato potevano anche servire come fotodetettori nel vicino infrarosso. Infatti, le strutture strette hanno mostrato una responsività di 11,2 A/W e una sensibilità specifica di 1,1×1011 cm Hz1/2 W-1, superando la maggior parte dei rivelatori di infrarossi basati su nanomateriali 1D, nanomateriali 2D e altre strutture ibride esistenti.

In futuro, il nuovo approccio di fabbricazione ideato da questo team di ricerca potrebbe essere ulteriormente migliorato e implementato in ambienti reali, consentendo la produzione su larga scala di BPNR di alta qualità. Ciò potrebbe a sua volta spianare la strada per lo sviluppo di dispositivi elettronici e optoelettronici compatti significativamente più piccoli di quelli attualmente disponibili.

"Come parte della nostra futura ricerca, svilupperemo strategie controllate per produrre BPNR di alta qualità con allineamento unidirezionale e larghezze uniformi," ha aggiunto Chen.

"Tali strategie sono cruciali per superare le sfide attuali legate alla scalabilità e alla variabilità strutturale per i BPNR e consentiranno in definitiva ai BPNR di essere integrati in modo affidabile nei circuiti integrati su larga scala."

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Maggiori informazioni: 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.

Informazioni sulla rivista: Nature Materials

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