Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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Ciência

Oxigênio e a Degradação do Fósforo Negro

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Pesquisa investiga o impacto da oxidação sobre propriedades eletrônicas e vibracionais


Semicondutores são uma classe de materiais essenciais para a indústria eletrônica. Eles possuem propriedades intermediárias entre condutores e isolantes, que podem ser modificadas pela dopagem com diferentes elementos químicos ou pela aplicação de campos elétricos ou luz.

O fósforo negro é uma forma estável de fósforo cuja estrutura cristalina é composta pelo empilhamento de camadas finas bidimensionais, com apenas um átomo de espessura. Este material possui grande potencial para ser usado em dispositivos eletrônicos na escala nanométrica devido a suas propriedades semicondutoras, que podem ser ajustadas de acordo com a necessidade a partir do número de camadas atômicas.

Morfologia e Nanoespectroscopia no Infravermelho de uma amostra de Fósforo Negro preparado em $\rm N_2$ e exposto a baixa concentração de $\rm O_2$ por 1 mês. A barra de escala representa $\rm 5 \mu m$. Espectro obtido no ponto marcado com círculos abertos. As linhas tracejadas pretas representam picos atribuídos aos óxidos; linhas tracejadas vermelhas representam picos atribuídos a contaminação.

Apesar de seu potencial, o fósforo negro é bastante sensível ao ambiente químico em que está inserido. Em especial, a presença de oxigênio $\rm O_2$ leva à oxidação do material e a formação de óxidos, o que pode afetar negativamente suas propriedades. No entanto, se a oxidação do material puder ser controlada, é possível criar uma camada protetora de óxidos sobre a camada de fósforo. Para se alcançar tal controle, é preciso compreender a oxidação dessa espécie de fósforo sob diferentes condições.

Por isso, Daniel Grasseschi, pesquisador do Centro de Pesquisas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe), e colaboradores utilizaram as instalações do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) para analisar amostras de fósforo negro preparadas e acondicionadas sob diferentes condições e submetidos a diferentes graus de exposição a oxigênio. O grupo utilizou a Linha de Luz de Nanosespectroscopia de Infravermelho, uma das poucas instalações do tipo abertas a usuários externos em todo o mundo.

A adsorção e dissociação de $\rm O_2$ na superfície do fósforo negro leva irreversivelmente à formação de moléculas com diferentes graus de oxidação, dependente do ambiente ao qual o material está exposto e do tempo de exposição, e à alteração das características eletrônicas e estruturais do material. A formação de espécies de óxidos $\rm P_y O_x$ com alto conteúdo de oxigênio, que são isolantes, compromete as propriedades semicondutoras do fósforo negro e também torna o material mais susceptível à água, com formação de ácido fosfórico.
Por isso, de acordo com os pesquisadores, a formação controlada de óxidos com graus de oxidação menores que $\rm P_4 O_6$ deve permitir uma melhor formação de camadas protetoras e evitar a degradação do fósforo negro.

Fonte: D. Grasseschi, D. A. Bahamon, F. C. B. Maia, A. H. Castro Neto, R. O. Freitas and C. J. S. de Matos, Oxygen impact on the electronic and vibrational properties of black phosphorus probed by synchrotron infrared nanospectroscopy, 2D Mater. 4 035028 (2017). DOI: 10.1088/2053-1583/aa8210