Met een organisch laagje van één molecuul dik kun je fosforeen stabiliseren zonder dat het ook meteen onbruikbaar wordt. Het gaat als halfgeleider zelfs beter presteren, schrijven Mark Hersam en collega’s van Northwestern University in Nature Chemistry.

Dat fosforeen is net zoiets als grafeen, maar dan met fosfor in plaats van koolstof, en een structuur die niet plat is maar gegolfd. In feite is het één laagje van ‘zwarte fosfor’, theoretisch de meest stabiele kristalstructuur van dit element. Net als bij grafeen werk je in de praktijk overigens vaak met een paar laagjes in plaats van één.

Als halfgeleider heeft fosforeen veel meer potentie dan grafeen. Probleem alleen is dat het met water en zuurstof uit de lucht reageert en dan meteen zijn positieve eigenschappen kwijt is.

Eerder wist Hersam het al te stabiliseren door het te bedeken met een laagje aluminiumoxide. Dan blijft het wel een halfgeleider, je kunt er alleen niet meer bij.

Als alternatief heeft hij nu een behandeling met aryldiazoniumzouten bedacht. Aryldiazoniumionen kunnen een elektron onttrekken aan fosforeen, waarna zich stikstofgas (N₂) afsplitst en een arylradicaal overblijft dat zich covalent aan de fosfor bindt.

Hersam probeerde het met tetrafluorboraatzouten van 4-nitrobenzeendiazonium (4-NBD) en 4-methoxybenzeendiazonium (4-MBD, zie de afbeelding). Ze doen het allebei, al werkt 4-NBD iets beter.

Het fosforeenoppervlak wordt zo minstens 25 dagen ongevoelig voor aantasting door water of zuurstof, maar het organische deklaagje is lang niet zo onondoordringbaar als aluminiumoxide. Volgens de auteurs staat het in elk geval de toepassing van fosforeen als gassensor niet in de weg.

Een bijwerking is dat je de fosforeenstructuur een beetje verstoort, en dat dat hetzelfde effect blijkt te hebben op de halfgeleidereigenschappen als p-type dotering. Hoe langer je het materiaal met aryldiazonium behandelt, hoe sterker het effect wordt. Hersam voorziet dan ook een grote toekomst voor fosforeen in de halfgeleiderindustrie.

bron: Northwestern University