Erstmals vermessen und kartiert: blauer Phosphor

Das Element Phosphor tritt in vielerlei Gestalt auf und wechselt mit jeder neuen Modi­fi­ka­tion auch seine Eigen­schaften. Bisher bekannt waren roter, vio­letter, weißer und schwarzer Phosphor. Während einige Phosphor­ver­bin­dungen lebens­wichtig sind, ist weißer Phosphor giftig und brand­ge­fähr­lich. Schwarzer Phosphor ist dagegen beson­ders stabil. Doch 2014 fanden Forscher der Michigan State Uni­ver­sity in den USA heraus, dass auch blauer Phosphor stabil sein sollte. In dieser Modi­fi­ka­tion ver­netzen sich die Phosphor-Atome ähn­lich wie beim Graphen zu einer Art Bienen­waben­struktur, die jedoch nicht perfekt flach ist, sondern regel­mäßige Buckel hat. Modell­rech­nungen zeigen, dass diese Phosphor-Modi­fi­ka­tion kein Halb­leiter mit einer schmalen Energie­lücke ist, sondern eine ver­hältnis­mäßig große Band­lücke von zwei Elek­tronen­volt auf­weisen sollte. Das ist etwa der sieben­fache Wert des schwarzen Phosphors im Volumen und hoch­inte­res­sant für opto­elek­tro­nische Anwen­dungen.

Bereits 2016 gelang es, blauen Phosphor durch Aufdampfen auf einer Gold­ober­fläche abzu­scheiden. Doch erst jetzt gibt es die Gewiss­heit, dass es sich dabei tat­säch­lich um blauen Phosphor handelt. Dafür hat ein Team vom HZB um Evangelos Golias an BESSY II erst­mals die elek­tro­nische Band­struktur solcher Proben ver­messen. Sie konnten die Energie­ver­tei­lung der äußeren gebun­denen Elek­tronen im Valenz­band mit der Methode der winkel­auf­ge­lösten Photo­emissions­spektro­skopie abtasten und damit eine untere Grenze für den Wert der Band­lücke von blauem Phosphor angeben.

Dabei fanden sie heraus, dass die P-Atome sich nicht ganz unab­hängig vom Gold-Substrat anordnen, sondern ver­suchen, sich an die Abstände zwischen den Gold-Atomen anzu­passen. Dies ver­zerrt das gewellte Waben­gitter, was sich wiederum auf die Energie­ver­tei­lung der Elek­tronen aus­wirkt. So stimmt die Ober­kante des Valenz­bands, wo die Band­lücke beginnt, mit der theo­re­tischen Vor­her­sage über­ein und ist in etwa so groß wie theo­re­tisch vorher­gesagt, jedoch etwas ver­schoben.

„Bisher hat man vor allem schwarzem Phosphor benutzt, um davon ein­zelne Atom­lagen abzu­tragen“, erklärt Oliver Rader vom HZB. „Diese ein­zelnen Atom­lagen weisen eben­falls eine große Band­lücke auf, besitzen aber nicht die Bienen­waben­struktur des blauen Phosphors und können vor allem nicht direkt auf einem Substrat her­ge­stellt werden. Unsere Ergeb­nisse offen­baren nicht nur die Material­eigen­schaften dieser neu­artigen zwei­dimen­sio­nalen Modi­fi­ka­tion des Phosphors, sondern zeigen auch, wie das Substrat das Ver­halten der Elek­tronen im blauen Phosphor beein­flusst. Und das ist ein wich­tiger Faktor für jeg­liche opto­elek­tro­nische Anwen­dung.“

HZB / RK