Phosphorène

Microclivage par ruban adhésif.

Avec la technique du microclivage assisté par ruban adhésif[4], le phosphorène est exfolié mécaniquement à partir de phosphore noir massif en utilisant par exemple du scotch. Le phosphorène est ensuite transféré sur un substrat Si / SiO₂, sur lequel il est nettoyé à l'acétone CH₃COCH₃, à l'isopropanol CH₃CHOHCH₃ et au méthanol CH₃OH pour éliminer les résidus de ruban adhésif, et est enfin chauffé à 180 °C pour éliminer les traces de solvant.

Exfoliation en phase liquide.

MFA d'une couche mince de quelques feuillets de phosphorène obtenue par exfoliation ultrasonique de phosphore noir dans la N-méthyl-2-pyrrolidone et enduction centrifuge sur substrat SiO₂/Si[18].

L'exfoliation en phase liquide est une technique publiée par Brent et al. en 2014[18] et modifiée par d'autres équipes[6]. Le phosphore noir est tout d'abord moulu à l'aide d'un pilon dans un mortier puis traité par sonication basse énergie dans un solvant organique désoxygéné anhydre comme la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) sous atmosphère inerte. Le phosphore noir en suspension est ensuite centrifugé pendant une trentaine de minutes afin de filtrer les résidus non exfoliés, ce qui ne laisse, protégés de l'oxydation, que des couches formées d'un à quelques feuillets de phosphorène[6].

Dans une variante de ce procédé[9], le phosphore noir massif est plongé dans une solution de NaOH/NMP puis traité par sonication pendant quatre heures pour assurer l'exfoliation en phase liquide. La solution est ensuite centrifugée deux fois : une première fois pendant dix minutes pour séparer le phosphorène du phosphore noir non exfolié, puis une seconde fois pendant vingt minutes à plus grande vitesse de rotation pour séparer du NMP les couches épaisses de phosphorène (cinq à douze feuillets d'épaisseur). Le résidu qui surnage est centrifugé à nouveau à vitesse élevée pendant une vingtaine de minutes pour séparer les couches plus fines (un à sept feuillets d'épaisseur). Le précipité de centrifugation est redispersé dans l'eau et nettoyé plusieurs fois dans l'eau désionisée. Des gouttes de cette solution sont alors étalées sur du silicium revêtu d'une couche de 280 nm de dioxyde de silicium SiO₂, le tout étant ensuite séché sous vide. Cette technique permet de produire, avec un bon rendement, des couches de quelques feuillets de phosphorène de taille et d'épaisseur contrôlées[9].

Plusieurs équipes ont pu produire du phosphorène avec de bons rendements par exfoliation dans des solvants, mais la réalisation de composants électroniques à base de phosphorène implique de pouvoir également maîtriser l'application de ce matériau sur les substrats souhaités. Kaur et al. ont montré la faisabilité de l'application de couches semiconductrices de quelques feuillets de phosphorène par assemblage de Langmuir-Blodgett (en)[8].

La croissance de couches de phosphorène par épitaxie directe demeure technologiquement hors d'atteinte en raison de la difficulté à stabiliser de telles couches sur les substrats[19].

Des transistors en phosphorène ont été réalisés afin d'en étudier les performances dans des composants réels[4]. Ces transistors consistent en un canal de 1,0 μm utilisant quelques feuillets de phosphorène avec une épaisseur de 2,1 nm à plus de 20 nm. La résistance totale décroît avec le voltage appliqué sur la grille, ce qui indique que le phosphorène est un semiconducteur de type p. Le fait que la caractéristique courant-tension de ces transistors soit linéaire lorsque la tension appliquée sur le drain est faible indique que le contact métal/phosphorène a de bonnes propriétés électriques. La mobilité des porteurs de charge est plus faible dans les couches minces de phosphorène par rapport au phosphore noir massif, avec un pic aux alentours de 5 nm.

L'Atomic Layer Deposition de diélectriques ou de polymère hydrophobe permet d'encapsuler les couches de phosphorène afin d'en prévenir la dégradation au contact de l'air. Ces composants peuvent préserver leurs propriétés électroniques pendant plusieurs semaines dans ces conditions, alors que ces propriétés se dégradent en quelques jours en l'absence de passivation[3] - [11] - [13] - [14] - [15].

Il est également possible de réaliser un onduleur CMOS en combinant un transistor PMOS (en) en phosphorène avec un transistor NMOS en disulfure de molybdène MoS₂ à travers une intégration hétérogène utilisant le phosphorène comme matériau de canal p[4]. Dans l'onduleur, la tension d'alimentation V_DD est de 1 V ; la tension de sortie présente une transition claire de V_DD à 0 V dans l'intervalle de tensions d'entrée de −10 V à 2 V. Le gain maximum dans ce genre de configuration est de l'ordre de 1,4.

L'utilisation de phosphorène pour réaliser des cellules photovoltaïques fait également l'objet de recherches, par exemple avec des architectures MoS₂/phosphorène en bicouche AA et AB[20] (arrangement des feuillets de phosphorène avec leur atomes alignés verticalement pour AA, ou alternativement alignés avec le centre des hexagones pour AB). Cette configuration conduit à une largeur de bande interdite de 0,78 eV à 1,04 eV, qui peut être réduit par application d'un champ électrique vertical, par exemple jusqu'à 0,56 eV avec un champ de 0,5 V·Å^-1[20].

Transistor souple à couche active en phosphorène encapsulé dans un diélectrique hydrophone[21].

En raison de sa nature de matériau bidimensionnel, le phosphorène est un bon candidat pour réaliser des composants électroniques flexibles en matériaux souples, dans la mesure où il présente également de bonnes propriétés électrostatiques[22]. On a ainsi pu réaliser des transistors, des démodulateurs AM et d'autres composants flexibles à base de couches formées de quelques feuillets de phosphorène, qui présentent une mobilité des porteurs de charge élevée à température ambiante et un fort courant de saturation. Parmi les circuits souples en phosphorène qui ont été réalisés, on peut relever un inverseur logique (Fonction NON), un amplificateur et un doubleur de fréquence (en)[23], ainsi que des transistors RF avec une fréquence de coupure de 20 GHz[21].