Fosforketens vertonen echte 1D-elektronische eigenschappen op een zilveren substraat

Voor het eerst is een team van BESSY II erin geslaagd de eendimensionale elektronische eigenschappen van een materiaal aan te tonen via een zeer verfijnd experimenteel proces.

De monsters bestonden uit korte ketens van fosforatomen die zichzelf onder specifieke hoeken op een zilversubstraat organiseren. Door middel van geavanceerde analyses kon het team de bijdragen van deze verschillend op elkaar afgestemde ketens ontwarren. Hieruit bleek dat de elektronische eigenschappen van elke keten inderdaad eendimensionaal zijn. Berekeningen voorspellen dat er een spannende faseovergang te verwachten is zodra deze ketens dichter bij elkaar komen. Hoewel materiaal dat bestaat uit individuele ketens met langere afstanden halfgeleidend is, zou een zeer dichte ketenstructuur van metaal zijn.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Kleine structuren.

De materiële wereld bestaat uit atomen die zich combineren tot een groot aantal verschillende stoffen. In de regel binden atomen zich zowel in één vlak als in één loodrecht daarop met elkaar. Sommige atomen, zoals koolstof, kunnen echter ook grafeen vormen, een tweedimensionaal (2D) hexagonaal netwerk waarin ze slechts in één vlak zijn verbonden. Ook kan het element fosfor stabiele 2D-netwerken vormen.

2D-materialen zijn een spannend onderzoeksgebied vanwege hun verbazingwekkende elektronische en optische eigenschappen. Theoretische overwegingen suggereren dat de elektro-optische eigenschappen van eendimensionale structuren zelfs nog buitengewooner zouden kunnen zijn.

Ketens van fosforatomen

Onlangs is het mogelijk geworden om eendimensionale structuren te produceren. Onder bepaalde omstandigheden rangschikken fosforatomen zichzelf in korte lijnen op een zilversubstraat. Deze ketens zijn morfologisch eendimensionaal. Het is echter waarschijnlijk dat ze lateraal interageren met andere ketens. Dergelijke interacties beïnvloeden de elektronische structuur en vernietigen mogelijk de eendimensionaliteit. Tot nu toe was het echter niet mogelijk om dit nauwkeurig te meten in experimenten.

“Door een zeer grondige evaluatie van metingen bij BESSY II hebben we nu aangetoond dat dergelijke fosforketens echt een eendimensionale elektronische structuur hebben”, zegt professor Oliver Rader, hoofd van de afdeling Spin and Topology in Quantum Materials bij HZB.

ARPES bij BESSY II toont een 1D elektronische structuur

Dr. Andrei Varykhalov en zijn team produceerden en karakteriseerden eerst fosforketens op een zilversubstraat met behulp van een cryogene scanning tunneling microscoop (STM). De resulterende beelden onthulden de vorming van korte P-ketens in drie verschillende richtingen op het substraat, onder hoeken van 120 graden ten opzichte van elkaar.

“We hebben resultaten van zeer hoge kwaliteit bereikt, waardoor we staande golven van elektronen kunnen observeren die zich tussen de ketens vormen”, zegt Varykhalov. Vervolgens onderzocht het team de elektronische structuur met behulp van hoekopgeloste foto-elektronenspectroscopie (ARPES) bij BESSY II, een methode waarmee ze al veel ervaring hebben.

Faseovergang met voorspelde dichtheid

Dr. Maxim Krivenkov en Dr. Maryam Sajedi verrichtten baanbrekend werk. Door de gegevens zorgvuldig te analyseren, konden ze de bijdragen van de drie verschillend georiënteerde fosforketens onderscheiden.

“We zouden de ARPES-signalen van deze domeinen kunnen ontwarren en zo kunnen aantonen dat deze 1D-fosforketens feitelijk ook een heel aparte 1D-elektronenstructuur bezitten”, zegt Krivenkov.

Berekeningen gebaseerd op de dichtheidsfunctionaaltheorie bevestigen deze analyse en doen een opwindende bewering: hoe dichter deze ketens bij elkaar liggen, hoe sterker hun interactie. Deze resultaten voorspellen een faseovergang van halfgeleider naar metaal naarmate de dichtheid van de ketenreeks toeneemt – als conclusie zou een tweedimensionale fosforketenstructuur van metaal zijn.

“We hebben hier een nieuw onderzoeksgebied betreden, onbekend terrein waar waarschijnlijk veel opwindende ontdekkingen zullen worden gedaan”, zegt Varykhalov.