Blåt fosfor:Hvordan en halvleder bliver til et metal

Det kemiske grundstof fosfor betragtes som et af de mest essentielle elementer for livet. Fosforforbindelser er dybt involveret i organismers struktur og funktion. Hvert menneske bærer omkring et kilogram af det i kroppen. Men selv uden for vores kroppe er vi omgivet af fosfater og fosfonater hver dag:i vores mad, i vaskemidler, gødning eller i medicin.

Fosfor forekommer i flere modifikationer, der har ekstremt forskellige egenskaber. Under normale forhold, der skelnes mellem hvid, lilla, rød og sort fosfor. I 2014 et hold fra Michigan State University, beregningsmæssigt forudsagt "blåt fosfor, " som kunne fremstilles eksperimentelt to år senere.

Blåt fosfor er et såkaldt todimensionelt (2-D) materiale. På grund af dens enkeltlags honeycomb-lignende struktur, det minder om, hvad der nok er det mest kendte 2-D-materiale:grafen. Analogt med dens berømte forløber, det blev da også kaldt blåt fosforen. Dette nye halvledermateriale er siden blevet undersøgt som en yderst lovende kandidat til optoelektroniske enheder.

Dresden-kemikeren prof Thomas Heine, i samarbejde med mexicanske videnskabsmænd, har nu gjort en unik opdagelse:Ved at anvende et topologisk koncept identificerede de beregningsmæssigt en bemærkelsesværdig stabil to-lags bukket bikagestruktur af blåt fosfor ved hjælp af meget præcise beregninger på højtydende computere. Denne to-lags blanding er ekstremt stabil. Som forskerne overraskende opdagede, det har metalliske egenskaber på grund af den meget lille afstand mellem de to lag. Resultaterne af disse undersøgelser blev publiceret som en highlight-artikel i det aktuelle nummer af tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Som alle komponenter, disse enheder skal forsynes med strøm, som normalt kommer ind i materialet via metalelektroder. Ved metal-halvleder-grænsefladen, energitab er uundgåeligt, en effekt kendt som Schottky-barrieren. Blåt fosfor er halvledende som et enkelt lag, men forudsagt at være metallisk som et dobbeltlag. Metalliske 2D-materialer er meget sjældne, og for første gang er et rent elementært materiale blevet opdaget, der udviser en halvleder-metal overgang fra monolaget til dobbeltlaget. Dermed, en elektronisk eller optoelektronisk komponent til brug i transistorer eller fotoceller kan kun realiseres ud fra ét kemisk element. Da der ikke er nogen grænseflade mellem halvleder og metal i disse enheder, Schottky-barrieren er stærkt reduceret, og en højere effektivitet kan forventes.

"Forestil dig, at du lægger to lag papir oven på hinanden, og pludselig skinner dobbeltarket metallisk som guldfolie. Det er præcis, hvad vi forudser for blåt fosfor. Dette arbejde understreger vigtigheden af ​​tværfaglighed i grundforskningen. Brug af en topologisk-matematisk model og teoretisk kemi, vi var i stand til at designe et nyt materiale på computeren og forudsige dets fysiske egenskaber. Anvendelser inden for nano- og optoelektronik forventes, " forklarer professor Heine.

For disse lovende resultater inden for grundforskning, førsteforfatter Jessica Arcudia fra Mexico er allerede blevet tildelt LatinXChem plakatprisen og ACS Presidential Award. Den unge kemiker var gæstestuderende i Thomas Heines forskningsgruppe i 2018, hvor hendes doktorvejleder Prof Gabriel Merino også havde arbejdet før.