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2D-Schicht aus Phosphor-Pentameren: Auch auf Metall mit Halbleitereigenschaften
Wenn sich durch Selbstorganisation Fünferringe von Phosphoratomen (Phosphor-Pentamere) auf einer Silberoberfläche bilden, behält die zweidimensionalen Phosphorschicht ihre Halbleitereigenschaften bei. An der Grenzfläche zur Silberoberfläche bildet sich eine spezielle Schnittstelle (p-Typ-Halbleiter-Metall-Schottky-Übergang). (Bild: R. Pawlak, Departement Physik, Universität Basel)
Phosphor ist ein spannendes Element, das sowohl überlebenswichtig für Organismen ist wie auch zahlreiche elektronische Anwendungen verspricht. Daher haben Forschende der Universität Basel auf einer Silberoberfläche Fünferringe von Phosphoratomen (Phosphor-Pentamere (Cyclo-P5)) synthetisiert und ihre elektronischen Eigenschaften erstmals mithilfe kombinierter Rasterkraft- und Rastertunnelspektroskopie untersucht. Sie stellten dabei fest, dass die atomare Phosphor-Pentamerschicht ihre Halbleitereigenschaften beibehält und sich an der Grenzfläche zur Silberoberfläche eine spezielle elektronische Schnittstelle ausbildet (p-Typ-Halbleiter-Metall-Schottky-Übergang). Damit erfüllen die Phosphor-Pentamere auf der Silberoberfläche eine Grundvoraussetzung für Anwendungen in Feldeffekttransistoren, Dioden oder Solarzellen, wie die Forschenden kürzlich in dem Wissenschaftsjournal “Nature Communications” beschrieben.
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 (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.
Verschiedene zweidimensionale Schichten
Forschende aus dem Team von Prof. Dr. Ernst Meyer vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben nun durch Verdampfen von Phosphoratomen (Evaporation) verschiedene zweidimensionale Phosphorstrukturen auf Silberoberflächen hergestellt. Neben Ketten und Sechserringen stellten sie auch planare Ringe aus je fünf Phosporatomen (Phosphor-Pentamer) her, die sich jeweils wie ein Anion verhalten, also negativ geladen sind. 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.
Aussagekräftige Daten durch Kombination von Methoden
Mithilfe einer Kombination von rasterkraft- und rastertunnelspektroskopischen Untersuchungen bei tiefen Temperaturen von 4 Kelvin (-269.15°C) stellen 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”, erklärt Dr. Rémy Pawlak, der die Untersuchungen betreut hat.
Die Phosphor-Pentamereschicht 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”, ergänzt Prof. Dr. Ernst Meyer.
Die Ergebnisse wurden durch Simulationen bestätigt, die Forschungsgruppen aus Shenzhen und Shanghai durchgeführt haben.
Originalpublikation:
Probing charge redistribution at the interface of self-assembled cyclo-P5 pentamers on Ag(111)
Outhmane Chahib, Yuling Yin, Jung-Ching Liu, Chao Li, Thilo Glatzel, Feng Ding, Qinghong Yuan, Ernst Meyer, & Rémy Pawlak
Nature Communications (2024) 15:6542
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50862-4