Fosforene: una nuova piattaforma per materiali avanzati multifunzionali

Maurizio Peruzzini, direttore dell'Istituto di Chimica dei Composti Organo Metallici, si è aggiudicato un prestigioso ECR Advanced Grant con il progetto dal titolo “Phosphorene functionalization: a new platform for advanced multifunctional materials”, acronimo PHOSFUN. Il progetto è stato costruito mettendo insieme un gruppo di ricercatori CNR composto da chimici esperti nella reattività del fosforo elementare e fisici con competenze di livello nella determinazione delle proprietà fisico-chimiche di sistemi nanostrutturati e nell’allestimento di nanodevices. Il progetto coinvolge due istituti del Dipartimento di Scienze Chimiche e Tecnologia dei Materiali, ICCOM (Sesto Fiorentino), che è la host istitution, e ISMN (Bologna). Completa la squadra un gruppo di fisici dell’istituto NANO (Pisa).

ERC Advanced Grant (ERC AG) è destinato a finanziare ricercatori di eccellenza che propongono progetti innovativi in grado di aprire nuovi campi di ricerca. Nel 2015 le proposte presentate sono state quasi 2300 e di queste solo 190 (di cui solo 11 assegnate a laboratori di ricerca italiani) quelle finanziate. PHOSFUN è l’unico ERC AG vinto dal CNR in questa call ed il secondo in assoluto che assegnato a ricercatori del CNR.

Il fosforene è un materiale 2D costituito da un singolo strato ordinato di atomi di fosforo e può essere preparato per esfoliazione del fosforo nero, una delle forme cristalline del fosforo elementare. I materiali 2D hanno attratto da alcuni anni un grande interesse per il loro potenziale uso in differenti ambiti. Fra questi, il più noto, il grafene, capostipite della famiglia, ha monopolizzato l'attenzione di fisici e chimici per la combinazione di proprietà strutturali e funzionali. La sua effettiva applicabilità in micro e nanoelettronica si è poi dimostrata fortemente limitata essendo il grafene un conduttore. Questa limitazione potrebbe essere superata utilizzando il fosforene, che è un semiconduttore dotato band gap naturale proporzionale al numero di strati di atomi di fosforo, ovvero al numero di “foglietti” 2D impilati l’uno sull’altro. Questa caratteristica permette quindi di modulare la risposta di un dispositivo micro- o nano elettronico in funzione del numero di strati del materiale.

Lo scopo del progetto PHOSFUN è quello di realizzare in primis protocolli di sintesi scalabili e riproducibili di mono e multistrato fosforene, quindi di funzionalizzare il materiale con gruppi organici ed inorganici. Il doping del fosforene fornirà nuovi strati 2D con eteroatomi. La funzionalità di questi materiali innovativi 2D verrà convalidata utilizzando derivati del fosforene su piattaforme per dispositivi in applicazioni nella scienza dei materiali, catalisi, microelettronica e in dispositivi optoelettronici.

I risultati del progetto forniranno una panoramica su come le proprietà chimiche e fisiche del fosforene possono essere modulate. Questo amplierà enormemente le conoscenze fondamentali sui materiali a base di fosforo e aprirà la strada a nuove applicazioni.