Phosphore bleu cartographié et mesuré pour la première fois

L'élément phosphore peut exister dans divers allotropes et modifie ses propriétés à chaque nouvelle forme. Jusqu'à présent, les phosphores rouge, violet, blanc et noir étaient connus. Certains composés du phosphore sont essentiels à la vie, mais le phosphore blanc est un poison inflammable et le phosphore noir, au contraire, particulièrement robuste.

Un autre allotrope a maintenant été identifié: en 2014, une équipe de la Michigan State University, aux États-Unis, a effectué des calculs sur un modèle afin de prédire que le "phosphore bleu" devrait également être stable. Sous cette forme, les atomes de phosphore forment une structure en nid d'abeille semblable au graphène, mais pas complètement à plat mais régulièrement "déformée".

Les calculs du modèle ont montré que le phosphore bleu n'est pas un semi-conducteur à bande étroite comme le phosphore noir mais possède les propriétés d'un semi-conducteur avec une bande interdite assez grande de 2 électrons-volts. Cet écart important, sept fois supérieur à celui du phosphore noir en vrac, est important pour les applications optoélectroniques.

Blue P examiné à BESSY II

En 2016, le phosphore bleu a été stabilisé avec succès sur un substrat d'or par évaporation. Néanmoins, nous savons seulement avec certitude que le matériau résultant est bien du phosphore bleu. À cette fin, une équipe de HZB autour d’Evangelos Golias a sondé la structure de bande électronique du matériau à BESSY II.

Ils ont pu mesurer par spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire la distribution des électrons dans sa bande de valence, en fixant la limite inférieure de la bande interdite du phosphore bleu.

Structure de bande influencée par le substrat

Ils ont découvert que les atomes de phosphore ne s’organisaient pas indépendamment du substrat d’or mais essayaient de s’ajuster aux espacements des atomes de Au. Cela déforme le réseau en nid d'abeilles ondulé de manière régulière, ce qui a une incidence sur le comportement des électrons dans le phosphore bleu.

En conséquence, le haut de la bande de valence qui définit l’une des extrémités de l’intervalle de bande semi-conductrice est en accord avec les prédictions théoriques concernant sa position énergétique, mais il est quelque peu décalé.

Outlook: applications optoélectroniques

"Jusqu'à présent, les chercheurs utilisaient principalement du phosphore noir en vrac pour exfolier des couches atomiquement minces", explique le professeur Oliver Rader, responsable du département HZB-Department Materials for green spintronics.

"Celles-ci présentent également une bande interdite semi-conductrice importante, mais ne possèdent pas la structure en nid d'abeille du phosphore bleu et ne peuvent surtout pas être cultivées directement sur un substrat. Notre travail révèle non seulement toutes les propriétés met en évidence l'impact du substrat support sur le comportement des électrons dans le phosphore bleu, paramètre essentiel pour toute application optoélectronique. "

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