Até recentemente, a existência de fósforo "azul" era pura teoria. Agora, uma equipe do HZB examinou amostras de fósforo azul no BESSY II pela primeira vez e mapeou sua estrutura de banda eletrônica. Eles relatam que representa uma modificação exótica do fósforo. O fósforo azul é um candidato interessante para novos dispositivos optoeletrônicos.

O fósforo existe em vários alótropos e muda suas propriedades a cada nova forma. Até aqui, vermelho, tolet, fósforo branco e preto foram relatados. Embora alguns compostos de fósforo sejam essenciais para a vida, o fósforo branco é venenoso e inflamável.

Agora, outro alótropo foi identificado. Em 2014, uma equipe da Michigan State University nos EUA realizou cálculos de modelo para prever que o fósforo azul também deveria ser estável. Neste formulário, os átomos de fósforo se organizam em uma estrutura de favo de mel semelhante ao grafeno. Contudo, a estrutura não é completamente plana, mas regularmente empenada. Os cálculos do modelo mostraram que o fósforo azul não é um semicondutor de gap estreito como o fósforo preto em massa, mas possui as propriedades de um semicondutor com um gap bastante grande de dois elétron-volts. Esta grande lacuna, que é sete vezes maior do que o fósforo preto a granel, é importante para aplicações optoeletrônicas.

Em 2016, o fósforo azul foi estabilizado com sucesso em um substrato de ouro por evaporação. No entanto, só recentemente foi relatado que o material resultante é de fato fósforo azul. Para este fim, uma equipe do HZB de Evangelos Golias sondou a estrutura da banda eletrônica do material no BESSY II. Eles foram capazes de medir por espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo a distribuição de elétrons em sua banda de valência, definir o limite inferior para o gap de fósforo azul.

Eles descobriram que os átomos de P não se organizam independentemente do substrato de ouro, mas tentam se ajustar aos espaçamentos dos átomos de Au. Isso distorce a estrutura do favo de mel corrugado de maneira regular, que por sua vez afeta o comportamento dos elétrons no fósforo azul. Como resultado, o topo da banda de valência que define a extremidade do gap semicondutor concorda com as previsões teóricas sobre sua posição de energia, mas está um pouco alterado.

"Até aqui, pesquisadores usaram principalmente fósforo preto em massa para esfoliar camadas atomicamente finas, "diz o professor Oliver Rader, chefe do Departamento de Materiais do HZB para spintrônica verde. "Eles também mostram uma grande lacuna de banda semicondutora, mas não possuem a estrutura de favo de mel do fósforo azul e, sobre tudo, não pode ser cultivado diretamente em um substrato. Nosso trabalho não só revela todas as propriedades materiais deste novo alótropo de fósforo bidimensional, mas destaca o impacto do substrato de suporte no comportamento dos elétrons no fósforo azul, um parâmetro essencial para qualquer aplicação optoeletrônica. "