Processi chimici, fisici e di micro-elettronica per la fabbricazione di dispositivi nanostrutturati a base di fosforene

Il lavoro fa parte del progetto "Phosfun-Phosphorene Functionalization", finanziato da ERC, che ha l’obiettivo di studiare caratteristiche e proprietà del fosforene tal quale e variamente funzionalizzato.
Il fosforo nero è il più stabile tra gli allotropi del fosforo. Il cristallo è composto da singoli strati di atomi di fosforo ibridizzati sp3. Il singolo strato, chiamato fosforene, può esser ricavato per esfoliazione liquida o meccanica dal cristallo. Sebbene mostri molte analogie con il grafene, il fosforene ha delle peculiarità che lo rendono particolarmente interessante nella famiglia dei 2D: i) ha un band gap (BG) diretto che dipende dal numero di strati (tra 0.3 eV e 2 eV) e che comporta degli stati emissivi nell’IR; ii) mostra semiconduzione ambipolare, prevalentemente p, ad elevata mobilità di carica; iii) ha eccitoni di elevata brillantezza e iv) l’ibridazione sp3 porta gli atomi di fosforene a disporsi in una struttura a zig zig anisotropa che rende fortenemente anisotrope le proprietà optoelettroniche precedentemente accennate.
Nel mio lavoro di tesi mi occupo di caratterizzare la morfologia e le proprietà del materiale e di sviluppare sistemi ibridi operando funzionalizzazioni chimiche e fisiche del fosforo nero. Tale lavoro comporta la necessità di fabbricare dei transistor ad effetto campo (FET), una delle piattaforme predilette per estrarre informazioni sulle proprietà.
Sfortunatamente, a differenza del grafene, il fosforene si ossida facilmente ed è instabile in condizioni ambientali. Ciò fa sì che la manipolazione del materiale debba sempre avvenire in atmosfera anidra ed inerte, complicando i processi di fabbricazione e caratterizzazione, delle cui ottimizzazioni mi sono occupo. Tali vincoli e necessità, unite alle piccole dimensioni dei fiocchi di fosforo nero, mi hanno permesso però di lavorare utilizzando tecniche e strategie non convenzionali (come ad esempio la litografia a fascio elettronico, evaporazioni di metalli e sublimazioni di molecole organiche in alto vuoto) per fabbricare microelettrodi e di farlo in laboratori all’avanguardia utilizzando glove box e camera pulita.
Una volta ottimizzata e caratterizzata la piattaforma FET con fosforo nero, inizia l’investigazione dell’interazione del materiale con altre molecole, sia organiche che inorganiche, allo scopo di modificare il BG ed implementare la struttura per ottenere dei LET (transistor ad emissione di luce) potenzialmente emissivi dal visibile all’infrarosso in funzione del numero di strati e della funzionalizzazione aprendo le porte all’impiego del fosforo nero nel campo delle telecomunicazioni.