Phosphore noir : la naissance d'un nouveau matériau miracle

Au cours des dernières années, les cristaux bidimensionnels sont apparus comme l'un des nouveaux matériaux les plus excitants avec lesquels jouer. Par conséquent, les scientifiques des matériaux se sont mis en quatre pour découvrir les propriétés extraordinaires du graphène, du nitrure de bore, du bisulfure de molybdène, etc.

Un retardataire dans ce groupe est le phosphore noir, dans lequel les atomes de phosphore se rejoignent pour former une feuille plissée bidimensionnelle. L'année dernière, des chercheurs ont construit un transistor à effet de champ à partir de phosphore noir et ont montré qu'il fonctionnait remarquablement bien. Cette recherche a suggéré que le phosphore noir pourrait avoir un bel avenir dans les dispositifs nanoélectroniques.

Mais il y a un problème. Le phosphore noir est difficile à produire en grande quantité. Aujourd'hui, Damien Hanlon du Trinity College de Dublin en Irlande, et un certain nombre de copains, disent avoir résolu ce problème.

Ces gars-là ont mis au point un moyen de fabriquer de grandes quantités de nanofeuilles de phosphore noir avec des dimensions qu'ils peuvent contrôler. Et ils ont utilisé cette nouvelle capacité pour tester le phosphore noir dans un certain nombre de nouvelles applications, telles qu'un capteur de gaz, un commutateur optique, et même pour renforcer les matériaux composites afin de les rendre plus solides.

Sous forme de vrac, le phosphore noir est composé de plusieurs couches, comme le graphite. Ainsi, une façon de séparer des feuilles simples consiste à exfolier, en décollant simplement les couches à l'aide de ruban adhésif ou d'autres matériaux. C'est une tâche qui prend du temps et qui limite considérablement les applications potentielles.

Alors Hanlon et co ont joué avec une autre approche. Leur méthode consiste à placer le morceau de phosphore noir dans un solvant liquide, puis à le bombarder d'ondes acoustiques qui secouent le matériau.

Le résultat est que la masse en vrac se sépare en un grand nombre de nanofeuilles que l'équipe filtre pour la taille à l'aide d'une centrifugeuse. Cela laisse des nanofeuilles de haute qualité composées de seulement quelques couches. L'exfoliation en phase liquide est une technique puissante pour produire des nanofeuilles en très grandes quantités, disent-ils.

Un problème potentiel avec les nanofeuilles de phosphore noir est qu'elles se dégradent rapidement au contact de l'eau ou de l'oxygène. Ainsi, l'une des avancées réalisées par l'équipe est de prédire que certains solvants devraient former une coquille de solvatation autour de la feuille, ce qui empêcherait l'oxygène ou d'autres espèces oxydantes d'atteindre le phosphore.

L'équipe utilise la N-cyclohexyl-2-pyrrolidone ou CHP comme solvant et de ce fait, les nanofeuilles ont une durée de vie étonnamment longue.

Le gros avantage du phosphore noir par rapport au graphène est qu'il possède une bande interdite naturelle que les physiciens peuvent exploiter pour fabriquer des appareils électroniques, tels que des transistors. Mais Hanlon et co affirment que la nouvelle disponibilité de nanofeuilles de phosphore noir leur a également permis de tester un certain nombre d'autres idées.

Par exemple, ils ont ajouté les nanofeuilles à un film de chlorure de polyvinyle, doublant ainsi sa résistance et multipliant par six sa résistance à la traction. Il n'y a donc pas que les allotropes de carbone qui peuvent augmenter la résistance !

Ils ont également déterminé la réponse optique non linéaire des nanofeuilles à un laser pulsé en mesurant la quantité de lumière transmise. Il s'avère que la quantité de phosphore noir léger absorbé diminue à mesure que l'intensité augmente, une propriété connue sous le nom d'absorption saturable. De plus, le phosphore noir est meilleur que le graphène.

Enfin, ils ont mesuré le courant à travers les nanofeuilles tout en les exposant à l'ammoniac. Ils ont découvert que la résistance du matériau augmentait lorsqu'il entrait en contact avec l'ammoniac, probablement parce que l'ammoniac cède des électrons qui neutralisent les trous dans les feuilles de phosphore noir.

Cela fait immédiatement du phosphore noir un détecteur d'ammoniac décent. Hanlon et co affirment que le matériau pourrait détecter l'ammoniac à des niveaux d'environ 80 parties par milliard.

Tout cela pourrait marquer une étape intéressante dans la recherche associée au phosphore noir. Beaucoup de gens auront vu l'excitation associée aux propriétés remarquables du graphène. Si le phosphore noir est deux fois moins remarquable, il devrait y avoir un avenir intéressant pour les scientifiques des matériaux.

Réf : arxiv.org/abs/1501.01881 : Exfoliation liquide du phosphore noir stabilisé par solvant : applications au-delà de l'électronique

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