2D-laag van fosforpentameren toont halfgeleidereigenschappen op zilveroppervlak

Fosfor is een essentieel onderdeel van elk organisme en speelt bijvoorbeeld een sleutelrol bij de energieoverdracht in het lichaam en in celmembranen, botten en tanden. Fosfor is ook bijzonder omdat het in talloze verschillende vormen (allotropen) voorkomt. Zo is er de zeer explosieve, giftige witte fosfor, de stabielere rode fosfor die bekend is van luciferkopjes of de kristallijne, halfgeleidende zwarte fosfor. Deze laatste kent talloze toepassingen in elektronische apparaten.

De verscheidenheid aan fosforverbindingen en hun fysische en chemische eigenschappen kunnen verder worden uitgebreid door de zelfassemblage van tweedimensionale fosforstructuren op oppervlakken.

Verschillende tweedimensionale lagen

Onderzoekers van een groep onder leiding van professor Ernst Meyer van de afdeling natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel hebben nu verschillende tweedimensionale fosforstructuren op zilveren oppervlakken geproduceerd door fosforatomen te verdampen. Het werk is gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie.

Naast ketens en hexagonale ringen produceerden ze ook vlakke ringen van vijf fosforatomen (fosforpentameren). Elk van deze atomen gedraagt ​​zich als een anion, dat wil zeggen dat ze negatief geladen zijn.

Om te kunnen beoordelen of dergelijke 2D-lagen bestaande uit fosforpentameren geschikt zijn voor toepassingen in de nano-elektronica en nano-optica, is het noodzakelijk om de eigenschappen van de atomaire laag te karakteriseren en de interacties met het metaaloppervlak te onderzoeken.

Zinvolle data door een combinatie van methoden

Met behulp van een combinatie van atoomkracht en scanning tunneling spectroscopie bij een lage temperatuur van 4 Kelvin (-269,15 °C) ontdekten de onderzoekers dat de fosforpentameren hun halfgeleidende eigenschappen op het zilveroppervlak behouden.

“Hiermee onderscheidt de fosforlaag zich van bijvoorbeeld een hexagonale grafeenlaag, die metaalachtig is wanneer deze in direct contact komt met een metalen oppervlak”, legt Dr. Rémy Pawlak uit, die toezicht hield op de experimenten.

De fosforpentameerlaag zorgt ervoor dat elektronen van het metaal naar de fosforlaag gaan en er een speciale grenslaag ontstaat, bekend als een p-type halfgeleider-metaal Schottky-overgang.

“De vorming van een Schottky-overgang op de interface zou toepassingen in veldeffecttransistoren, in zonnecellen of als diodes mogelijk kunnen maken”, voegt professor Ernst Meyer toe.

De resultaten werden bevestigd door simulaties uitgevoerd door onderzoeksgroepen uit Shenzhen en Shanghai in China.