Синий фосфор. Как полупроводник становится металлом

Синий фосфор, атомарно тонкий синтетический полупроводник, становится металлическим, как только он превращается в двойной слой. Ученые описывают возможность создания наноразмерных высокоэффективных транзисторов, состоящих всего из одного элемента.

Химический элемент фосфор считается одним из важнейших элементов для жизни. Соединения фосфора глубоко вовлечены в структуру и функции организмов.

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 удалось получить экспериментально два года спустя.

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 синим фосфорином. Этот новый полупроводниковый материал был с тех пор исследован как чрезвычайно многообещающий кандидат для оптоэлектронных устройств.

Дрезденский химик профессор Томас Хайне (Thomas Heine) в сотрудничестве с мексиканскими учеными сделал уникальное открытие: применив топологическую концепцию, они с помощью высокоточных расчетов на высокопроизводительных компьютерах идентифицировали удивительно стабильную двухслойную гнущуюся сотовую структуру из синего фосфора. 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, демонстрирующий 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 синего фосфора. Эта работа подчеркивает важность междисциплинарности в фундаментальных исследованиях. Использование тополого-математической модели и теоретической химии, мы смогли разработать новый материал с помощью компьютерного моделирования и предсказать его физические свойства. Ожидаются приложения в области нано- и оптоэлектроники», - объясняет профессор Хайне.

Международная команда смоделировала двухслойную гнущуюся сотовую структуру из голубого фосфора с помощью высокоточных расчетов на высокопроизводительных компьютерах. Состав очень стабилен и из-за очень небольшого расстояния между двумя слоями имеет металлические свойства

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365