Fósforo azul - ahora medido y mapeado por primera vez

Hasta hace poco, la existencia del fósforo "azul" era pura teoría: Ahora, por primera vez, un equipo de Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) pudo examinar muestras de fósforo azul en BESSY II y confirmar a través de su estructura de banda electrónica que se trata en realidad de una modificación exótica del fósforo. El fósforo azul es un candidato interesante para los nuevos dispositivos optoelectrónicos.

El elemento fósforo aparece en muchas formas y cambia con cada nueva modificación también el catálogo de sus propiedades. Hasta ahora se conocía el fósforo rojo, violeta, blanco y negro. Mientras que algunos compuestos de fósforo son incluso vitales, el fósforo blanco es tóxico e inflamable y el fósforo negro, por el contrario, es particularmente estable. Pero ahora se ha identificado otra modificación: En 2014, un equipo de la Michigan State University, EE. UU., descubrió por modelado que el "fósforo azul" también debería ser estable. En esta modificación, los átomos de fósforo se entrecruzan de forma similar al grafeno para formar una especie de estructura de panal que no es perfectamente plana, sino que tiene "jorobas" regulares. Los cálculos de los modelos muestran que esta modificación del fósforo no es un semiconductor con una brecha de energía estrecha, sino que debe tener una brecha de banda relativamente grande de 2 electrones voltios. Eso sería aproximadamente siete veces el valor del fósforo negro en volumen y muy interesante para aplicaciones optoelectrónicas.

Fósforo azul investigado en BESSY II

En 2016, el fósforo azul se depositó en una superficie dorada por deposición de vapor. Pero sólo ahora existe la certeza de que se trata en realidad de fósforo azul. Un equipo de HZB alrededor de Evangelos Golias en BESSY II midió la estructura de la banda electrónica de tales muestras por primera vez. Pudieron escanear la distribución de energía de los electrones ligados en la banda de valencia usando el método de espectroscopia de fotoemisión con resolución angular y así indicar un límite inferior para el valor de la separación de la banda de fósforo azul.

Estructura de la banda influenciada por el sustrato de oro

Descubrieron que los átomos P no se disponen completamente independientes del sustrato de oro, sino que intentan adaptarse a las distancias entre los átomos de oro. Esto distorsiona la red de panal corrugado, lo que a su vez afecta la distribución de energía de los electrones. Así, el borde superior de la banda de valencia, donde comienza la separación de la banda, coincide con la predicción teórica y es casi tan grande como teóricamente se predijo, pero ligeramente desplazado.

Perspectivas: aplicaciones optoelectrónicas

"Hasta ahora, el fósforo negro se ha utilizado principalmente para eliminar capas atómicas individuales", explica Oliver Rader, director del departamento de materiales de HZB para Green Spintronics. "Estas capas atómicas individuales también tienen un gran espacio de banda, pero no tienen la estructura de panal de fósforo azul y, sobre todo, no pueden ser producidas directamente sobre un sustrato. Nuestros resultados no sólo revelan las propiedades materiales de esta novedosa modificación bidimensional del fósforo, sino que también muestran cómo el sustrato influye en el comportamiento de los electrones del fósforo azul. Y ese es un factor importante para cualquier aplicación optoelectrónica".