Химики экспериментально подтвердили существование голубого фосфора

Голубой фосфор на золотой подложке.
Иллюстрация HZB.

Фосфор был открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году: учёный пытался отыскать философский камень, а получил светящееся в темноте вещество. Примерно в то же время другие исследователи, независимо от Бранда, также получили и описали фосфор.

С тех пор это простое вещество (то есть состоящее из атомов одного химического элемента) изучают многие специалисты. И продолжают совершать удивительные открытия.

Так, команда исследователей из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца сообщила об открытии новой аллотропной модификации – голубого фосфора.

Поясним, что ранее химикам было известно четыре устойчивых аллотропных модификации фосфора – белый, красный, чёрный и металлический. Иногда также выделяют жёлтый фосфор, подразумевая неочищенный белый.

О существовании ещё одной экзотической модификации – голубого фосфора (blue phosphorus) – учёные лишь строили гипотезы. Подтвердить их предположения помогли эксперименты по картированию электронной зонной структуры, которые проводились на немецком синхротроне BESSY-II.

Химики поясняют, что аллотропные модификации фосфора обладают разными свойствами. К примеру, белый является токсичным и легко воспламеняется, поэтому часто используется в производстве взрывчатых веществ. Ядовитость красного фосфора в тысячи раз ниже, его применяют в производстве спичек: "тёрочная" поверхность коробков покрыта составом на основе этого вещества. Чёрный фосфор – наиболее термодинамически стабильная и химически наименее активная форма, её начинают всё шире применять в производстве электроники и даже называют "новым кремнием".

В 2014 году учёные из Мичиганского университета в США выполнили модельные расчёты, подтвердившие, что голубой фосфор также должен быть стабильным и теоретически может быть эффективным полупроводником, как чёрный фосфор и графен. В этой модификации атомы фосфора по расположению в решётке напоминают соты, подобно атомам углерода в том же графене.

Спустя два года химикам удалось получить стабильный голубой фосфор на золотой подложке путём испарения. Но на тот момент полученное вещество не было идентифицировано. Лишь недавно немецкие специалисты установили, что оно действительно является тем самым голубым фосфором.

Команда использовала метод фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, чтобы изучить распределение электронов в валентной зоне и установить нижний предел запрещённой зоны для изучаемого вещества.

В результате исследователи обнаружили, что атомы в нём располагаются не независимо от золотой подложки, а пытаются "отрегулировать" своё положение относительно атомов золота (как показано на главной иллюстрации). Это немного искажает решётку, напоминающую соты, и, соответственно, влияет на поведение электронов голубого фосфора.

Уточняется, что верхний предел валентной зоны в целом согласовался с ранее полученными моделями, но был немного сдвинут. (Все эти данные нужны химикам и физикам, чтобы описать полупроводниковые свойства новой аллотропной модификации фосфора.)

В частности, ширина валентной зоны полученного вещества составляет не менее двух электронвольтов. Это в семь раз больше, чем у чёрного фосфора, что может стать огромным плюсом для учёных, которые работают над созданием электроники нового поколения, поскольку при таких показателях полупроводник сможет работать при более высоких напряжении и температуре.

"До сих пор исследователи в основном использовали чёрный фосфор для отслаивания атомарно тонких слоёв. Они также демонстрируют обширную полупроводящую запрещённую зону, но не обладают сотовой структурой голубого фосфора и, прежде всего, не могут быть выращены непосредственно на подложке.

Наша работа не только раскрывает все свойства этого нового двумерного аллотропа как материала, но и подчёркивает влияние подложки на поведение электронов в голубом фосфоре, что является важным параметром для любого применения в оптоэлектронике", — рассказывает ведущий автор работы профессор Оливер Радер (Oliver Rader).

По его мнению, открытие и дальнейшее изучение голубого фосфора открывает новые перспективы для оптоэлектроники.

Научная статья по итогам исследования была опубликована в журнале Nano Letters.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как чёрный фосфор поможет улучшить оптические коммуникации, а также о возможном космическом происхождении одного из ключевых элементов, которые были необходимы для зарождения жизни на Земле.

Сегодня