2D-Halbleiter aus Phosphor

Phosphor ist ein lebens­wichtiger Bestandteil jedes Organismus und spielt beispielsweise bei der Energie­übertragung im Körper und in Zellmembranen, Knochen und Zähnen eine wichtige Rolle. Phosphor ist auch deshalb besonders, da er in zahlreichen unter­schiedlichen Formen, den Allotropen, vorkommt. So gibt es beispielsweise den hochexplosiven, giftigen weißen Phosphor, den von Streichholz­köpfen bekannten stabileren roten Phosphor oder auch den kristallinen, halbleitenden schwarzen Phosphor – der zahlreiche potenzielle Anwendungen in der Elektronik besitzt. Die Vielfalt an Phosphor­verbindungen und deren physikalischen und chemischen Eigen­schaften lässt sich noch erweitern, wenn auch zwei­dimensionale Phosphor­strukturen durch Selbstanordnung auf Oberflächen hergestellt werden.

Forschende aus dem Team von Ernst Meyer vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben nun durch Verdampfen von Phosphor­atomen verschiedene zwei­dimensionale Phosphor­strukturen auf Silber­oberflächen hergestellt. Neben Ketten und Sechserringen stellten sie auch planare Ringe aus je fünf Phosporatomen her, die sich jeweils wie ein Anion verhalten. Um zu beurteilen, ob derartige 2D-Schichten bestehend aus Phosphor-Pentameren für Anwendungen in der Nano­elektronik und Nanooptik geeignet sein, ist es erforderlich, die Eigenschaften der atomaren Schicht zu charak­terisieren und die Wechsel­wirkungen mit der metallischen Oberfläche zu untersuchen.

Mithilfe einer Kombination von rasterkraft- und rastertunnel­spektroskopischen Untersuchungen bei tiefen Temperaturen von vier Kelvin stellten die Forschenden fest, dass die Phosphor-Pentamere ihre halb­leitenden Eigenschaften auf der Silber­oberfläche beibehalten. „Dies unterscheidet die Phosphorschicht beispiels­weise von einer hexogonalen Graphen­schicht, die bei direktem Kontakt mit einer metallischen Ober­fläche selbst metallisch wird“, sagt Rémy Pawlak, der die Untersuchungen betreut hat.

Die Phosphor-Pentamer-Schicht bewirkt, dass Elektronen aus dem Metall in die Phospor­schicht gelangen und sich eine spezielle Grenzschicht, p-Typ-Halb­leiter-Metall-Schottky-Übergang genannt, ausbildet. „Die Ausbildung eines derartiger Schottky-Übergangs an der Grenzfläche könnte Anwendungen in Feldeffekt­transistoren, in Solar­zellen oder als Dioden ermöglichen“, sagt Ernst Meyer. Die Ergebnisse wurden durch Simulationen bestätigt, die Forschungs­gruppen aus Shenzhen und Shanghai durchgeführt haben.

U. Basel / JOL