Det kemiska elementet fosfor anses vara ett av de mest väsentliga elementen för livet. Fosforföreningar är djupt involverade i organismernas struktur och funktion. Varje människa bär ungefär ett kilo av det i kroppen. Men även utanför våra kroppar är vi omgivna av fosfater och fosfonater varje dag:i maten, i tvättmedel, gödselmedel eller i läkemedel.

Fosfor förekommer i flera modifieringar som har extremt olika egenskaper. Under normala förhållanden, man skiljer mellan vitt, lila, röd och svart fosfor. Under 2014, ett team från Michigan State University, beräknat beräknat "blå fosfor, "som kunde tillverkas experimentellt två år senare.

Blå fosfor är ett så kallat tvådimensionellt (2-D) material. På grund av dess enskiktade bikakeliknande struktur, det påminner om det som förmodligen är det mest kända 2-D-materialet:grafen. Analogt med den berömda föregångaren, det kallades då också för blåfosforen. Detta nya halvledarmaterial har sedan dess undersökts som en extremt lovande kandidat för optoelektroniska enheter.

Dresden -kemisten Prof Thomas Heine, i samarbete med mexikanska forskare, har nu gjort en unik upptäckt:genom att tillämpa ett topologiskt koncept identifierade de beräkningsmässigt en anmärkningsvärt stabil tvåskiktsbockad bikakestruktur av blå fosforen med hjälp av mycket exakta beräkningar på högpresterande datorer. Denna tvåskiktade förening är extremt stabil. Som forskarna överraskande upptäckte, den har metalliska egenskaper på grund av det mycket små avståndet mellan de två lagren. Resultaten av dessa undersökningar publicerades som en höjdartikel i det aktuella numret av tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Liksom alla komponenter, dessa enheter måste förses med ström, som vanligtvis kommer in i materialet via metallelektroder. Vid metall-halvledargränssnittet, energiförluster är oundvikliga, en effekt som kallas Schottky -barriären. Blå fosfor är halvledande som ett enda lager, men förutspås vara metalliskt som ett dubbelskikt. Metalliska 2-D-material är mycket sällsynta, och för första gången har ett rent elementärt material upptäckts som uppvisar en halvledarmetallövergång från monoskiktet till dubbelskiktet. Således, en elektronisk eller optoelektronisk komponent för användning i transistorer eller fotoceller kan realiseras från endast ett kemiskt element. Eftersom det inte finns något gränssnitt mellan halvledare och metall i dessa enheter, Schottky -barriären reduceras kraftigt och en högre effektivitet kan förväntas.

"Tänk dig att du lägger två lager papper ovanpå varandra och plötsligt lyser det dubbla arket metalliskt som guldfolie. Detta är exakt vad vi förutspår för blå fosforen. Detta arbete understryker vikten av tvärvetenskaplighet i grundforskning. Använda en topologisk-matematisk modell och teoretisk kemi, vi kunde designa ett nytt material på datorn och förutsäga dess fysiska egenskaper. Ansökningar inom området nano- och optoelektronik förväntas, "förklarar prof Heine.

För dessa lovande resultat inom grundforskning, första författaren Jessica Arcudia från Mexiko har redan tilldelats LatinXChem -affischpriset och ACS Presidential Award. Den unga kemisten var gäststudent i forskargruppen för Thomas Heine 2018, där hennes doktorandprofessor Gabriel Merino också hade arbetat tidigare.