Химический элемент фосфор считается одним из важнейших элементов для жизни. Соединения фосфора глубоко вовлечены в структуру и функции организмов. Каждый человек носит в теле около одного килограмма этого вещества.
Но даже вне нашего тела мы ежедневно окружены фосфатами и фосфонатами: в нашей пище, в моющих средствах, удобрениях или в лекарствах.
Фосфор существует в нескольких модификациях, которые имеют очень разные свойства. В нормальных условиях различают белый, фиолетовый, красный и черный фосфор.
В 2014 году команда из Университета штата Мичиган, США, с помощью расчетов предсказала «синий фосфор», который можно было получить экспериментально двумя годами позже.
Синий фосфор – это так называемый двумерный (2D) материал.
Благодаря своей однослойной сотовой структуре он напоминает, вероятно, самый известный 2D-материал: графен. По аналогии со своим знаменитым предшественником, он тогда еще назывался голубым фосфором. Этот новый полупроводниковый материал был с тех пор исследован как чрезвычайно многообещающий кандидат для оптоэлектронных устройств.
Дрезденский химик профессор Томас Гейне в сотрудничестве с мексиканскими учеными сделал уникальное открытие: применив топологическую концепцию, они вычислили удивительно стабильную двухслойную гнущуюся сотовую структуру из голубого фосфорена с помощью высокоточных расчетов с высокой производительностью. компьютеры. Этот двухслойный состав чрезвычайно стабилен.
Как неожиданно обнаружили ученые, он имеет металлические свойства из-за очень небольшого расстояния между двумя слоями.
Как и все компоненты, эти устройства должны получать питание, которое обычно поступает в материал через металлические электроды. На границе раздела металл-полупроводник неизбежны потери энергии – эффект, известный как барьер Шоттки.
Синий фосфор является полупроводником в виде одинарного слоя, но предсказывается, что он будет металлическим в виде двойного слоя. Металлические 2D-материалы очень редки, и впервые был обнаружен чистый элементный материал, который демонстрирует переход полупроводник-металл из монослоя в двойной слой.
Таким образом, электронный или оптоэлектронный компонент для использования в транзисторах или фотоэлементах может быть реализован только из одного химического элемента. Поскольку в этих устройствах нет границы раздела между полупроводником и металлом, барьер Шоттки значительно снижен, и можно ожидать более высокого КПД.
"Представьте, что вы кладете два слоя бумаги друг на друга, и внезапно двойной лист блестит металлически, как золотая фольга. Это именно то, что мы предсказываем для голубого фосфора.
Эта работа подчеркивает важность междисциплинарности в фундаментальных исследованиях. Используя тополого-математическую модель и теоретическую химию, мы смогли разработать новый материал на компьютере и спрогнозировать его физические свойства.
Ожидаются приложения в области нано- и оптоэлектроники », – поясняет профессор Хайне.
За эти многообещающие результаты фундаментальных исследований первый автор Джессика Аркудия из Мексики уже была награждена призом за плакат LatinXChem и президентской премией ACS.
В 2018 году молодой химик был приглашенным студентом в исследовательской группе Томаса Гейне, где до этого работал ее научный руководитель профессор Габриэль Мерино.