Fino a poco tempo fa, l'esistenza del fosforo "blu" era pura teoria. Ora, un team di HZB ha esaminato per la prima volta campioni di fosforo blu al BESSY II e ne ha mappato la struttura a bande elettroniche. Riferiscono che rappresenta una modifica esotica del fosforo. Il fosforo blu è un candidato interessante per nuovi dispositivi optoelettronici.

Il fosforo esiste in vari allotropi e cambia le sue proprietà con ogni nuova forma. Finora, rosso, Viola, sono stati segnalati fosforo bianco e nero. Mentre alcuni composti del fosforo sono essenziali per la vita, il fosforo bianco è velenoso e infiammabile.

Ora, è stato identificato un altro allotropo. Nel 2014, un team della Michigan State University negli Stati Uniti ha eseguito calcoli modello per prevedere che anche il fosforo blu dovrebbe essere stabile. In questa forma, gli atomi di fosforo si dispongono in una struttura a nido d'ape simile al grafene. Però, la struttura non è completamente piana ma regolarmente allacciata. I calcoli del modello hanno mostrato che il fosforo blu non è un semiconduttore a gap stretto come il fosforo nero nella massa, ma possiede le proprietà di un semiconduttore con un gap di banda piuttosto ampio di due elettronvolt. Questo grande divario, che è sette volte più grande del fosforo nero sfuso, è importante per le applicazioni optoelettroniche.

Nel 2016, il fosforo blu è stato stabilizzato con successo su un substrato d'oro mediante evaporazione. Tuttavia, solo di recente è stato riportato che il materiale risultante è effettivamente fosforo blu. A tal fine, un team di HZB intorno a Evangelos Golias ha sondato la struttura a bande elettroniche del materiale al BESSY II. Sono stati in grado di misurare mediante spettroscopia fotoelettronica risolta in angolo la distribuzione degli elettroni nella sua banda di valenza, fissando il limite inferiore per la banda proibita del fosforo blu.

Hanno scoperto che gli atomi di P non si dispongono indipendentemente dal substrato d'oro, ma cercano di adattarsi alle distanze degli atomi di Au. Questo distorce il reticolo ondulato a nido d'ape in modo regolare, che a sua volta influenza il comportamento degli elettroni nel fosforo blu. Di conseguenza, la parte superiore della banda di valenza che definisce l'estremità della banda proibita del semiconduttore concorda con le previsioni teoriche sulla sua posizione energetica, ma è un po' spostato.

"Finora, i ricercatori hanno utilizzato principalmente fosforo nero sfuso per esfoliare strati atomicamente sottili, "dice il professor Oliver Rader, capo del dipartimento HZB-Materiali per la spintronica verde. "Questi mostrano anche un ampio gap di banda dei semiconduttori, ma non possiedono la struttura a nido d'ape del fosforo blu e, soprattutto, non può essere coltivato direttamente su un substrato. Il nostro lavoro non solo rivela tutte le proprietà del materiale di questo nuovo allotropo di fosforo bidimensionale, ma evidenzia l'impatto del substrato di supporto sul comportamento degli elettroni nel fosforo blu, un parametro essenziale per qualsiasi applicazione optoelettronica."