Dal 2004 anno in cui fu ottenuto per la prima volta il grafene si sono sviluppate le ricerche sui materiali bidimensionali detti 2D tra cui il nitruro di boro con caratteristiche isolanti e i calcogenuri dei metalli di transizione come il disolfuro di molibdeno MoS2 e il diseleniuro di tungsteno WSe2 che si comportano da semiconduttori per le loro molteplicità di impiego.
Impilando cristalli 2D diversi che si legano tra loro dando luogo alla formazione di eterostrutture di Van der Waals si possono ottenere materiali con proprietà ottiche, elettroniche e magnetiche che si differenziano rispetto a quelle dei materiali dei singoli strati.
Lo studio di questi materiali che hanno proprietà innovative è quindi finalizzato alla progettazione di nuovi dispositivi di piccolissime dimensioni e dotati di enormi potenzialità.
Nel 2014 è entrato a far parte dei materiali 2D il fosforene ottenuto dal fosforo nero e formato da un solo strato di atomi di fosforo.
Il fosforo nero, che costituisce uno degli stati allotropici del fosforo non è mai stato studiato a fondo, e su di esso, nonostante sia la forma termodinamicamente stabile del fosforo, non sono mai state condotte ricerche approfondite.
Il fosforo nero viene ottenuto per riscaldamento del fosforo bianco ad altissime pressioni e presenta in apparenza proprietà e struttura simili a quelle della grafite essendo anch’esso di colore scuro, friabile, conduttore di elettricità. Il fosforo nero ha una struttura ortorombica costituita da anelli a sei membri in cui ogni atomo è legato ad altri tre.
La più importante somiglianza del fosforo nero con la grafite è la possibilità di poter essere ottenuto in monostrati dotati di eccellenti proprietà di trasporto di cariche ed elevata conduttività termica. Esso tuttavia tende ad ossidarsi a contatto con l’acqua in presenza di ossigeno e ciò costituisce un limite per il suo utilizzo.
L’elevato assorbimento ottico del materiale denominato in analogia con il grafene, fosforene, lo rendono di particolare interesse nel campo delle applicazioni optoelettroniche che studiano i dispositivi elettronici che interagiscono con le radiazioni elettromagnetiche.
Al contrario del grafene che è strutturalmente piatto ed è capace di condurre elettricità essendo privo della banda energetica proibita tipica dei semiconduttori, il fosforene che ha una fisionomia ondulata dove ventri si alternano a creste formate da atomi di fosforo, intercalati in un continuo saliscendi ha una banda energetica proibita determinata e quindi può condurre elettricità solo quando gli elettroni assorbono una determinata energia e questa caratteristica consente un controllo sul comportamento elettrico del materiale.
Diversamente dal grafene, il fosforene, contrariamente ad altri materiali 2D, è anisotropo e tale proprietà incide sulle proprietà ottiche, elettriche, termiche e meccaniche dei dispositivi in cui viene utilizzato.
Quello che rende il fosforene particolarmente interessante è che la sua banda proibita che va da 0.3 a 2.0 eV copre un intervallo che non hanno tutti gli altri materiali 2D in quanto il grafene ha una banda proibita pari a zero mentre il calcogenuri dei metalli di transizione hanno una banda proibita che va da 1.5 a 2.5 eV.
La banda proibita del fosforene corrisponde all’intervallo di lunghezza d’onda tra 0.6 e 4.0 μ che copre l’intervallo che è a cavallo tra luce visibile e infrorosso quindi può essere usato nei sensori a infrarosso.
La banda proibita del fosforene inoltre può essere variata sia aumentando il numero di monostrati impilati che dopando il fosforene con arsenico consentendo al materiale di essere particolarmente sensibile alla presenza di gas.
La ricerca ora si rivolge sia a metodi nuovi per l’ottenimento del fosforo nero, sia a materiali che possano passivarlo al fine di renderlo più stabile.