Phosphorene
ફોસ્ફોરિન એ બે પરિમાણીય પદાર્થ છે જેમાં ફોસ્ફરસ હોય છે. તેમાં કાળા ફોસ્ફરસનો એક જ સ્તર હોય છે, જે ફોસ્ફરસનો સૌથી સ્થિર એલોટ્રોપ છે. ફોસ્ફોરિન એ ગ્રેફીન (એક સ્તર ગ્રેફાઇટ) જેવું જ છે. દ્વિ-પરિમાણીય સામગ્રીઓમાં, ફોસ્ફોરિન એ ગ્રાફિનનો હરીફ છે કારણ કે તેમાં બિન-શૂન્ય મૂળભૂત બેન્ડ ગેપ હોય છે જેને તાણ અને ઢગલામાં સ્તરોની સંખ્યા દ્વારા નિયંત્રિત કરી શકાય છે. ફોસ્ફોરિનને સૌપ્રથમ 2014 માં યાંત્રિક એક્સ્ફોલિયેશન દ્વારા અલગ કરવામાં આવ્યું હતું. પ્રવાહી એક્સ્ફોલિયેશન એ સ્કેલેબલ ફોસ્ફોરિન ઉત્પાદન માટે એક આશાસ્પદ પદ્ધતિ છે. ઇતિહાસ 1914 માં કાળા ફોસ્ફરસ, ફોસ્ફરસના સ્તરવાળી, અર્ધવાહક એલોટ્રોપનું સંશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. આ એલોટ્રોપ ઉચ્ચ વાહક ગતિશીલતા દર્શાવે છે. 2014 માં, કેટલાક જૂથોએ કાળા ફોસ્ફરસના મોનોલેયર સિંગલ-લેયર ફોસ્ફોરિનને અલગ પાડ્યું હતું. તેના બેન્ડ ગેપને કારણે ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં તેની ક્ષમતાને કારણે તેણે નવેસરથી ધ્યાન ખેંચ્યું હતું, જેને તેની જાડાઈ, અનિસોટ્રોપિક ફોટોઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો અને વાહક ગતિશીલતામાં ફેરફાર કરીને ટ્યુન કરી શકાય છે. ફોસ્ફોરિન શરૂઆતમાં યાંત્રિક ક્લેવેજનો ઉપયોગ કરીને તૈયાર કરવામાં આવ્યું હતું, જે ગ્રેફીન ઉત્પાદનમાં સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી તકનીક છે. 2023માં, આર્સેનિક-ફોસ્ફોરિનના મિશ્રધાતુઓએ શુદ્ધ ફોસ્ફોરિન કરતાં વધુ છિદ્ર ગતિશીલતા દર્શાવી હતી અને તે ચુંબકીય પણ હતા. ફોસ્ફોરિનનું સંશ્લેષણ એક નોંધપાત્ર પડકાર છે. હાલમાં, ફોસ્ફોરિનના ઉત્પાદનની બે મુખ્ય રીતો છેઃ સ્કોચ-ટેપ-આધારિત માઇક્રોક્લેવેજ અને પ્રવાહી એક્સ્ફોલિયેશન, જ્યારે અન્ય ઘણી પદ્ધતિઓ પણ વિકસાવવામાં આવી રહી છે. પ્લાઝ્મા કોતરણીમાંથી ફોસ્ફોરિનનું ઉત્પાદન પણ નોંધાયું છે. સ્કોચ-ટેપ-આધારિત માઇક્રોક્લેવેજમાં, ફોસ્ફોરિનને સ્કોચ-ટેપનો ઉપયોગ કરીને કાળા ફોસ્ફરસ સ્ફટિકના જથ્થામાંથી યાંત્રિક રીતે બહાર કાઢવામાં આવે છે. ફોસ્ફોરિનને પછી Si/SiO2 સબસ્ટ્રેટ પર સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે, જ્યાં તેને પછી કોઈપણ સ્કોચ ટેપ અવશેષોને દૂર કરવા માટે એસીટોન, આઇસોપ્રોપીલ આલ્કોહોલ અને મિથેનોલથી સાફ કરવામાં આવે છે. પછી દ્રાવક અવશેષો દૂર કરવા માટે નમૂનાને 180 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે. પ્રવાહી એક્સ્ફોલિયેશન પદ્ધતિમાં, સૌપ્રથમ બ્રેન્ટ એટ અલ દ્વારા જાણ કરવામાં આવી હતી. 2014 માં અને અન્ય લોકો દ્વારા સુધારેલ, જથ્થાબંધ કાળા ફોસ્ફરસને પહેલા મોર્ટાર અને મૂછોમાં જમીનમાં નાખવામાં આવે છે અને પછી ઓછા-પાવર બાથ સોનિકેશનનો ઉપયોગ કરીને નિષ્ક્રિય વાતાવરણ હેઠળ એન. એમ. પી. જેવા નિર્જલીકૃત, નિર્જલીકૃત કાર્બનિક પ્રવાહીમાં સોનિકેટ કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ બિન-પર્ણિત કાળા ફોસ્ફરસને ફિલ્ટર કરવા માટે 30 મિનિટ માટે સસ્પેન્શનને સેન્ટ્રીફ્યુજ કરવામાં આવે છે. 2 ડી મોનોલેયર અને થોડા સ્તરના ફોસ્ફોરિનનું બિન-ઓક્સિડાઇઝ્ડ અને સ્ફટિકીય માળખું પરિણમે છે, જ્યારે હવાના સંપર્કમાં ફોસ્ફોરિનનું ઓક્સિડાઇઝેશન થાય છે અને એસિડ ઉત્પન્ન કરે છે. પ્રવાહી એક્સ્ફોલિયેશનની અન્ય વિવિધતા "મૂળભૂત એન-મિથાઈલ-2-પાયરોલિડોન (એન. એમ. પી.) પ્રવાહી એક્સ્ફોલિયેશન" છે. જથ્થાબંધ કાળા ફોસ્ફોરિનને સંતૃપ્ત NaOH/NMP દ્રાવણમાં ઉમેરવામાં આવે છે, જે પ્રવાહી એક્સ્ફોલિયેશન કરવા માટે 4 કલાક માટે સોનિકેટ કરવામાં આવે છે. પછી દ્રાવણને બે વાર સેન્ટ્રીફ્યુજ કરવામાં આવે છે, પ્રથમ 10 મિનિટ માટે કોઈપણ બિન-પર્ણિત કાળા ફોસ્ફરસને દૂર કરવા માટે અને પછી 20 મિનિટ માટે વધુ ઝડપે NMP થી ફોસ્ફોરિન (5-12 સ્તરો) ના જાડા સ્તરોને અલગ કરવા માટે. સુપરનેટન્ટ પછી ફોસ્ફોરિનના પાતળા સ્તરો (1-7 સ્તરો) ને અલગ કરવા માટે વધુ 20 મિનિટ માટે વધુ ઝડપે ફરીથી સેન્ટ્રીફ્યુજ કરવામાં આવે છે. સેન્ટ્રીફ્યુગેશનમાંથી અવક્ષેપ પછી પાણીમાં ફરીથી વિખેરવામાં આવે છે અને ડિઓનાઇઝ્ડ પાણી દ્વારા ઘણી વખત ધોવાઇ જાય છે. ફોસ્ફોરિન/પાણીના દ્રાવણને 280-nm SiO2 સપાટી સાથે સિલિકોન પર છોડવામાં આવે છે, જ્યાં તેને વધુ શૂન્યાવકાશ હેઠળ સૂકવવામાં આવે છે. એન. એમ. પી. પ્રવાહી એક્સ્ફોલિયેશન પદ્ધતિ નિયંત્રિત કદ અને સ્તર સંખ્યા, ઉત્તમ જળ સ્થિરતા અને ઉચ્ચ ઉપજ સાથે ફોસ્ફોરિન ઉત્પન્ન કરતી હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. વર્તમાન પદ્ધતિઓના ગેરલાભમાં લાંબા સોનિકેશન સમય, ઉચ્ચ ઉત્કલન બિંદુ દ્રાવકો અને ઓછી કાર્યક્ષમતાનો સમાવેશ થાય છે. તેથી, પ્રવાહી એક્સ્ફોલિયેશન માટેની અન્ય ભૌતિક પદ્ધતિઓ હજુ પણ વિકાસ હેઠળ છે. ઝેંગ અને સહકાર્યકરો દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલી લેસર-સહાયિત પદ્ધતિએ 5 મિનિટમાં 90 ટકા સુધીની આશાસ્પદ ઉપજ દર્શાવી હતી. લેસર ફોટોન જથ્થાબંધ કાળા ફોસ્ફરસ સ્ફટિકની સપાટી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે, જેના કારણે પ્લાઝ્મા અને દ્રાવક પરપોટા આંતરસ્તર ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને નબળી પાડે છે. લેસર ઊર્જા, દ્રાવક (ઇથેનોલ, મિથેનોલ, હેક્સેન, વગેરે) પર આધાર રાખીને. અને ઇરેડિયેશન સમય, ફોસ્ફોરિનના સ્તરની સંખ્યા અને બાજુના કદને નિયંત્રિત કરવામાં આવ્યા હતા. દ્રાવકોમાં ઘણા જૂથો દ્વારા ફોસ્ફોરિનનું ઉચ્ચ ઉપજ ઉત્પાદન દર્શાવવામાં આવ્યું છે, પરંતુ આ સામગ્રીના સંભવિત ઉપયોગોને સમજવા માટે, આ મુક્ત-સ્થાયી નેનોશીટ્સને સબસ્ટ્રેટ્સ પર વ્યવસ્થિત રીતે દ્રાવકોમાં જમા કરવા નિર્ણાયક છે. એચ. કૌર એટ અલ. લેંગમુઇર-બ્લોડગેટ એસેમ્બલીનો ઉપયોગ કરીને કેટલાક સ્તર અર્ધચાલક ફોસ્ફોરિનના સંશ્લેષણ, ઈન્ટરફેસ-સંચાલિત સંરેખણ અને અનુગામી કાર્યાત્મક ગુણધર્મોનું પ્રદર્શન કર્યું. આ પહેલો અભ્યાસ છે જે ફોસ્ફોરિનની નેનોશીટ્સને વિવિધ આધારો પર ભેગા કરવાના પડકાર તરફ સીધો અને બહુમુખી ઉકેલ પૂરો પાડે છે અને ત્યારબાદ આ શીટ્સનો ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણમાં ઉપયોગ કરે છે. તેથી, લેંગમુઇર-બ્લોડગેટ જેવી વેટ એસેમ્બલી તકનીકો ફોસ્ફોરિનના ઇલેક્ટ્રોનિક તેમજ ઓપ્ટો-ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો તેમજ અન્ય 2D સ્તરવાળી અકાર્બનિક સામગ્રીના સંશોધન માટે ખૂબ જ મૂલ્યવાન નવા પ્રવેશ બિંદુ તરીકે કામ કરે છે. 2ડી ફોસ્ફોરિનનો સીધો એપિટેક્સિયલ રીતે વિકાસ કરવો હજુ પણ એક પડકાર છે કારણ કે કાળા ફોસ્ફોરિનની સ્થિરતા સબસ્ટ્રેટ પ્રત્યે અત્યંત સંવેદનશીલ હોય છે, જે સૈદ્ધાંતિક સિમ્યુલેશન દ્વારા સમજી શકાય છે. ગુણધર્મ માળખું ફોસ્ફોરિન 2D સામગ્રી મોટાભાગની સામગ્રીમાં જોવા મળતા સહસંયોજક અથવા આયનીય બંધને બદલે વેન ડેર વાલ્સ દળો દ્વારા એકસાથે રાખવામાં આવેલા વ્યક્તિગત સ્તરોથી બનેલી હોય છે. ફોસ્ફરસ પરમાણુના 3p ભ્રમણકક્ષાઓ પર પાંચ ઇલેક્ટ્રોન હોય છે, આમ, ફોસ્ફોરિન માળખામાં ફોસ્ફરસ પરમાણુના sp3 સંકરણને જન્મ આપે છે. એકસ્તરીય ફોસ્ફોરિન ચતુર્ભુજ પિરામિડની રચના દર્શાવે છે કારણ કે પી અણુના ત્રણ ઇલેક્ટ્રોન અન્ય ત્રણ પી અણુઓ સાથે સહસંયોજક રીતે 2.18 Å પર બંધાય છે અને એક એકલ જોડી છોડી દે છે. ફોસ્ફરસના બે અણુ એકબીજાથી 99° પર સ્તરના સમતલમાં હોય છે, અને ત્રીજો ફોસ્ફરસ સ્તરો વચ્ચે 103° પર હોય છે, જેનો સરેરાશ ખૂણો 102° હોય છે. ડેન્સિટી ફંક્શનલ થિયરી (ડી. એફ. ટી.) ની ગણતરીઓ અનુસાર, ફોસ્ફોરિન માળખાકીય પર્વતમાળાઓના આકારમાં નોંધપાત્ર બિન-સ્પષ્ટતાની સાથે હનીકોમ્બ જાળીના માળખામાં રચાય છે. એવી આગાહી કરવામાં આવે છે કે કાળા ફોસ્ફરસની સ્ફટિક રચનાને ઉચ્ચ દબાણ હેઠળ ભેદભાવ કરી શકાય છે. આ મોટે ભાગે અસમપ્રમાણતાવાળા સ્ફટિક માળખાને કારણે કાળા ફોસ્ફરસની અનિસોટ્રોપિક સંકોચનક્ષમતાને કારણે છે. ત્યારબાદ, વેન ડર વાલ્સ બોન્ડને ઝેડ-દિશામાં મોટા પ્રમાણમાં સંકુચિત કરી શકાય છે. જો કે, ઓર્થોગોનલ x-y સમતલમાં સંકોચનક્ષમતામાં મોટો તફાવત છે. એવું નોંધવામાં આવ્યું છે કે ઉત્પાદનની કેન્દ્રત્યાગી ગતિને નિયંત્રિત કરવાથી સામગ્રીની જાડાઈને નિયંત્રિત કરવામાં મદદ મળી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, સંશ્લેષણ દરમિયાન 18000 આર. પી. એમ. પર સેન્ટ્રીફ્યુગિંગ 210 એન. એમ. ના સરેરાશ વ્યાસ અને 2.8 ± 1.5 એન. એમ. (2-7 સ્તરો) ની જાડાઈ સાથે ફોસ્ફોરિન ઉત્પન્ન કરે છે. બેન્ડ ગેપ અને વાહકતા ફોસ્ફોરિનમાં જાડાઈ આધારિત સીધું બેન્ડ ગેપ હોય છે જે મોનોલેયરમાં 1.88 eV માં બદલાય છે જે જથ્થામાં 0.3 eV હોય છે. સિંગલ-લેયર ફોસ્ફોરિનમાં બેન્ડ ગેપ મૂલ્યમાં વધારો વેલેન્સની ટોચ અને વહન બેન્ડના તળિયાની નજીક ઇન્ટરલેયર સંકરણની ગેરહાજરીને કારણે થવાની આગાહી કરવામાં આવી છે. આશરે 1.45 eV પર કેન્દ્રિત એક સ્પષ્ટ શિખર જથ્થાબંધ સ્ફટિકોથી થોડા અથવા એક-સ્તરના ફોસ્ફોરિન તફાવતમાં બેન્ડ ગેપ માળખું સૂચવે છે. શૂન્યાવકાશમાં અથવા નબળા સબસ્ટ્રેટ પર, ફોસ્ફોરિન ધારની નેનોટ્યુબડ સમાપ્તિ સાથે એક રસપ્રદ પુનર્નિર્માણ થવું ખૂબ જ સરળ છે, જે ફોસ્ફોરિન ધારને ધાતુથી અર્ધચાલકમાં પરિવર્તિત કરે છે. હવાની સ્થિરતા ફોસ્ફોરિનનો એક મોટો ગેરલાભ તેની મર્યાદિત હવાની સ્થિરતા છે. હાઇગ્રોસ્કોપિક ફોસ્ફરસથી બનેલું અને અત્યંત ઉચ્ચ સપાટી-થી-વોલ્યુમ ગુણોત્તર સાથે, ફોસ્ફોરિન પાણીની વરાળ અને ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે જે દૃશ્યમાન પ્રકાશ દ્વારા કલાકોના અવકાશમાં અધોગતિ પામે છે. અધોગતિ પ્રક્રિયા દ્વારા, ફોસ્ફોરિન (ઘન) સપાટી પર પ્રવાહી તબક્કાના એસિડ 'પરપોટા' વિકસાવવા માટે ઓક્સિજન/પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, અને છેવટે સંપૂર્ણપણે અદૃશ્ય થવા માટે (વરાળ) બાષ્પીભવન કરે છે (S-B-V અધોગતિ) અને એકંદર ગુણવત્તામાં ગંભીર ઘટાડો કરે છે. એપ્લિકેશન્સ ટ્રાન્ઝિસ્ટર સંશોધકોએ વાસ્તવિક ઉપકરણોમાં તેની કામગીરીની તપાસ કરવા માટે ફોસ્ફોરિનના બનાવટી ટ્રાન્ઝિસ્ટર બનાવ્યા છે. ફોસ્ફોરિન આધારિત ટ્રાન્ઝિસ્ટર 1 માઇક્રોનની ચેનલ ધરાવે છે અને 2 થી 20 એનએમ સુધીની જાડાઈ સાથે થોડા સ્તરવાળી ફોસ્ફોરિનનો ઉપયોગ કરે છે. ઘટતા ગેટ વોલ્ટેજ સાથે કુલ પ્રતિકારમાં ઘટાડો જોવા મળે છે, જે ફોસ્ફોરિનની પી-પ્રકારની લાક્ષણિકતા દર્શાવે છે. લો ડ્રેઇન બાયસ પર ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો લીનિયર I-V સંબંધ ફોસ્ફોરિન/મેટલ ઇન્ટરફેસ પર સારા સંપર્ક ગુણધર્મો સૂચવે છે. ઉચ્ચ ડ્રેઇન બાયસ મૂલ્યો પર સારી કરંટ સંતૃપ્તિ જોવા મળી હતી. જો કે, એવું જોવા મળ્યું હતું કે જથ્થાબંધ કાળા ફોસ્ફરસની સરખામણીમાં થોડા સ્તરના ફોસ્ફોરિનમાં ગતિશીલતા ઓછી થાય છે. ફોસ્ફોરિન-આધારિત ટ્રાન્ઝિસ્ટરની ક્ષેત્ર-અસર ગતિશીલતા મજબૂત જાડાઈ નિર્ભરતા દર્શાવે છે, જે લગભગ 5 એનએમ પર ટોચ પર છે અને સ્ફટિકની જાડાઈમાં વધુ વધારો સાથે સતત ઘટાડો કરે છે. અણુ સ્તર જમા (ALD) ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર અને/અથવા હાઇડ્રોફોબિક પોલિમરનો ઉપયોગ ઉપકરણના અધઃપતન અને નિષ્ફળતાને રોકવા માટે એન્કેપ્સ્યુલેશન સ્તરો તરીકે થાય છે. ફોસ્ફોરિન ઉપકરણો એન્કૅપ્સ્યુલેશન સ્તર સાથે અઠવાડિયાઓ સુધી તેમનું કાર્ય જાળવી રાખે છે, જ્યારે આજુબાજુની સ્થિતિના સંપર્કમાં આવે ત્યારે એક અઠવાડિયાની અંદર ઉપકરણની નિષ્ફળતાનો અનુભવ થાય છે. લિથિયમ-આયન બેટરી જેવી રિચાર્જ કરી શકાય તેવી બેટરીઓ માટે બેટરી ઇલેક્ટ્રોડ ફોસ્ફોરિનને આશાસ્પદ એનોડ સામગ્રી માનવામાં આવે છે. ઇન્ટરલેયર જગ્યા લિથિયમ સંગ્રહ અને સ્થાનાંતરણને મંજૂરી આપે છે. ફોસ્ફોરિનનો સ્તર નંબર અને બાજુનું કદ એનોડની સ્થિરતા અને ક્ષમતાને અસર કરે છે. ઇન્વર્ટર સંશોધકોએ એમ. ઓ. એસ. 2 એન. એમ. ઓ. એસ. ટ્રાન્ઝિસ્ટર સાથે ફોસ્ફોરિન પી. એમ. ઓ. એસ. ટ્રાન્ઝિસ્ટરને જોડીને સી. એમ. ઓ. એસ. ઇન્વર્ટર (લોજિક સર્કિટ) નું નિર્માણ પણ કર્યું છે, જે સંભવિત ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપયોગો માટે નવી ચેનલ સામગ્રી તરીકે અર્ધચાલક ફોસ્ફોરિન સ્ફટિકોના ઉચ્ચ વિજાતીય એકીકરણને પ્રાપ્ત કરે છે. ઇન્વર્ટરમાં, વીજ પુરવઠાનો વોલ્ટેજ 1 વી તરીકે સેટ કરવામાં આવે છે. આઉટપુટ વોલ્ટેજ-10 થી-2 વી સુધીની ઇનપુટ વોલ્ટેજ શ્રેણીમાં VDD થી 0 સુધી સ્પષ્ટ સંક્રમણ દર્શાવે છે. ~ 1.4 નો મહત્તમ લાભ પ્રાપ્ત થાય છે. સોલર-સેલ ડોનર મટિરિયલ (ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સ) સોલર-સેલ મટિરિયલમાં મિશ્ર બાયલેયર ફોસ્ફોરિનના સંભવિત ઉપયોગોની પણ તપાસ કરવામાં આવી હતી. આદર્શ ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક નિયંત્રણ અને શ્રેષ્ઠ યાંત્રિક સુગમતા સાથે તેના અતિ-પાતળા સ્વભાવને કારણે ફ્લેક્સિબલ સર્કિટ્સ ફોસ્ફોરેન ફ્લેક્સિબલ નેનો સિસ્ટમ્સ માટે આશાસ્પદ ઉમેદવાર છે. સંશોધકોએ થોડા-સ્તરના ફોસ્ફરસ પર આધારિત લવચીક ટ્રાન્ઝિસ્ટર, સર્કિટ્સ અને એએમ ડિમોડ્યુલેટરનું પ્રદર્શન કર્યું છે, જે ~ 310 સે. મી. 2/વી. એસ. જેટલું ઊંચું ઓરડાના તાપમાન વાહક ગતિશીલતા અને મજબૂત વર્તમાન સંતૃપ્તિ સાથે ઉન્નત એએમ દ્વિધ્રુવી પરિવહન દર્શાવે છે. ડિજિટલ ઇન્વર્ટર, વોલ્ટેજ એમ્પ્લીફાયર અને ફ્રિક્વન્સી ડબલર સહિતના મૂળભૂત સર્કિટ એકમોની અનુભૂતિ થઈ છે. ઉચ્ચ આવર્તન લવચીક સ્માર્ટ નેનો પ્રણાલીઓમાં સંભવિત ઉપયોગો માટે 20 ગીગાહર્ટ્ઝની સૌથી વધુ આંતરિક કટઓફ આવર્તન ધરાવતા રેડિયો આવર્તન (આરએફ) ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. આ પણ જુઓ બોરોફીન જર્મેન ગ્રેફીન સિલિસિન સ્ટેનેન સંદર્ભો ફોસ્ફરસ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી ઊભરતી તકનીકીઓ મોનોલેયર્સ