Het chemische element fosfor wordt beschouwd als een van de meest essentiële elementen voor het leven. Fosforverbindingen zijn nauw betrokken bij de structuur en functie van organismen. Ieder mens draagt ​​er ongeveer een kilo van in het lichaam. Maar ook buiten ons lichaam worden we elke dag omringd door fosfaten en fosfonaten:in ons voedsel, in wasmiddelen, meststoffen of in medicijnen.

Fosfor komt voor in verschillende modificaties die zeer verschillende eigenschappen hebben. Onder normale omstandigheden, er wordt onderscheid gemaakt tussen wit, paars, rode en zwarte fosfor. In 2014, een team van de Michigan State University, computationeel voorspelde "blauwe fosfor, " die twee jaar later experimenteel zou kunnen worden geproduceerd.

Blauwe fosfor is een zogenaamd tweedimensionaal (2-D) materiaal. Door de enkellaagse honingraatachtige structuur, het doet denken aan wat waarschijnlijk het bekendste 2D-materiaal is:grafeen. Analoog aan zijn beroemde voorloper, het werd toen ook blauw fosforeen genoemd. Dit nieuwe halfgeleidermateriaal is sindsdien onderzocht als een zeer veelbelovende kandidaat voor opto-elektronische apparaten.

De scheikundige uit Dresden, prof. Thomas Heine, in samenwerking met Mexicaanse wetenschappers, heeft nu een unieke ontdekking gedaan:door een topologisch concept toe te passen, identificeerden ze computationeel een opmerkelijk stabiele tweelaagse geknikte honingraatstructuur van blauwe fosforeen door middel van zeer nauwkeurige berekeningen op krachtige computers. Deze tweelaagse compound is extreem stabiel. Zoals de wetenschappers verrassend ontdekten, het heeft metallische eigenschappen vanwege de zeer kleine afstand tussen de twee lagen. De resultaten van deze onderzoeken werden gepubliceerd als een hoogtepuntartikel in het huidige nummer van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Zoals alle componenten, deze apparaten moeten van stroom worden voorzien, die meestal via metalen elektroden het materiaal binnenkomt. Op de metaal-halfgeleiderinterface, energieverliezen zijn onvermijdelijk, een effect dat bekend staat als de Schottky-barrière. Blauwe fosfor is halfgeleidend als een enkele laag, maar voorspeld als een dubbele laag metaalachtig te zijn. Metallic 2D-materialen zijn zeer zeldzaam, en voor het eerst is een zuiver elementair materiaal ontdekt dat een halfgeleider-metaalovergang vertoont van de monolaag naar de dubbellaag. Dus, een elektronische of opto-elektronische component voor gebruik in transistors of fotocellen kan worden gerealiseerd uit slechts één chemisch element. Aangezien er geen interface is tussen halfgeleider en metaal in deze apparaten, de Schottky-barrière wordt sterk verminderd en een hoger rendement kan worden verwacht.

"Stel je voor dat je twee lagen papier op elkaar legt en plotseling glanst het dubbele vel metaalachtig als bladgoud. Dit is precies wat we voorspellen voor blauwe fosforeen. Dit werk onderstreept het belang van interdisciplinariteit in fundamenteel onderzoek. Met behulp van een topologisch-wiskundige model- en theoretische scheikunde, we konden een nieuw materiaal op de computer ontwerpen en de fysieke eigenschappen ervan voorspellen. Toepassingen op het gebied van nano- en opto-elektronica worden verwacht, " legt prof. Heine uit.

Voor deze veelbelovende resultaten in fundamenteel onderzoek, eerste auteur Jessica Arcudia uit Mexico heeft al de LatinXChem posterprijs en de ACS Presidential Award gewonnen. De jonge chemicus was in 2018 gaststudent in de onderzoeksgroep van Thomas Heine, waar haar promotor prof.dr. Gabriel Merino ook eerder had gewerkt.