Tills nyligen, förekomsten av "blå" fosfor var ren teori. Nu, ett HZB-team har undersökt prover av blå fosfor vid BESSY II för första gången och kartlagt deras elektroniska bandstruktur. De rapporterar att det representerar en exotisk fosformodifiering. Blå fosfor är en intressant kandidat för nya optoelektroniska enheter.

Fosfor finns i olika allotroper och ändrar dess egenskaper med varje ny form. Än så länge, röd, violett, vit och svart fosfor har rapporterats. Medan vissa fosforföreningar är nödvändiga för livet, vit fosfor är giftig och brandfarlig.

Nu, en annan allotrop har identifierats. Under 2014, ett team från Michigan State University i USA utförde modellberäkningar för att förutsäga att blå fosfor också skulle vara stabil. I denna form, fosforatomerna ordnar sig i en bikakestruktur som liknar grafen. Dock, strukturen är inte helt platt utan regelbundet bucklig. Modellberäkningar visade att blå fosfor inte är en halvledare med smalt gap som svart fosfor i bulken, men besitter egenskaperna hos en halvledare med ett ganska stort bandgap på två elektronvolt. Detta stora gap, som är sju gånger större än i bulk svart fosfor, är viktigt för optoelektroniska tillämpningar.

2016, blå fosfor stabiliserades framgångsrikt på ett guldsubstrat genom avdunstning. Ändå, det har bara nyligen rapporterats att det resulterande materialet verkligen är blå fosfor. För detta ändamål, ett team från HZB runt Evangelos Golias undersökte den elektroniska bandstrukturen för materialet på BESSY II. De kunde mäta med vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi fördelningen av elektroner i dess valensband, inställning av den nedre gränsen för bandgapet för blått fosfor.

De fann att P-atomerna inte ordnar sig oberoende av guldsubstratet utan försöker anpassa sig till Au-atomernas avstånd. Detta förvränger det korrugerade bikakenätet på ett regelbundet sätt, vilket i sin tur påverkar elektronernas beteende i blått fosfor. Som ett resultat, toppen av valensbandet som definierar den ena änden av det halvledande bandgapet överensstämmer med de teoretiska förutsägelserna om dess energiposition, men är något förskjuten.

"Än så länge, forskare har huvudsakligen använt bulk svart fosfor för att exfoliera atomärt tunna lager, " säger professor Oliver Rader, chef för HZB-avdelningen Material för grön spintronik. "Dessa visar också ett stort halvledande bandgap, men har inte bikakestrukturen av blå fosfor och, framför allt, kan inte odlas direkt på ett substrat. Vårt arbete avslöjar inte bara alla materialegenskaper hos denna nya tvådimensionella fosforallotrop, men belyser inverkan av det stödjande substratet på beteendet hos elektroner i blått fosfor, en viktig parameter för alla optoelektroniska tillämpningar."