Jusque récemment, l'existence du phosphore « bleu » était une pure théorie. Maintenant, une équipe HZB a examiné pour la première fois des échantillons de phosphore bleu à BESSY II et cartographié leur structure de bande électronique. Ils rapportent qu'il s'agit d'une modification exotique du phosphore. Le phosphore bleu est un candidat intéressant pour de nouveaux dispositifs optoélectroniques.

Le phosphore existe sous divers allotropes et change de propriétés à chaque nouvelle forme. Jusque là, rouge, violet, du phosphore blanc et noir ont été signalés. Alors que certains composés du phosphore sont essentiels à la vie, le phosphore blanc est toxique et inflammable.

Maintenant, un autre allotrope a été identifié. En 2014, une équipe de la Michigan State University aux États-Unis a effectué des calculs de modèle pour prédire que le phosphore bleu devrait également être stable. Sous cette forme, les atomes de phosphore s'arrangent dans une structure en nid d'abeille similaire au graphène. Cependant, la structure n'est pas complètement plate mais régulièrement déformée. Les calculs du modèle ont montré que le phosphore bleu n'est pas un semi-conducteur à intervalle étroit comme le phosphore noir dans la masse, mais possède les propriétés d'un semi-conducteur avec une bande interdite assez grande de deux électrons-volts. Ce grand écart, qui est sept fois plus gros que le phosphore noir en vrac, est important pour les applications optoélectroniques.

En 2016, le phosphore bleu a été stabilisé avec succès sur un substrat d'or par évaporation. Néanmoins, il n'a été rapporté que récemment que le matériau résultant est en effet du phosphore bleu. À cette fin, une équipe de HZB autour d'Evangelos Golias a sondé la structure de bande électronique du matériau à BESSY II. Ils ont pu mesurer par spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire la distribution des électrons dans sa bande de valence, fixer la limite inférieure de la bande interdite du phosphore bleu.

Ils ont découvert que les atomes P ne s'arrangent pas indépendamment du substrat d'or mais essaient de s'adapter aux espacements des atomes Au. Cela déforme le treillis ondulé en nid d'abeille de manière régulière, qui à son tour affecte le comportement des électrons dans le phosphore bleu. Par conséquent, le sommet de la bande de valence qui définit l'extrémité de la bande interdite semi-conductrice est en accord avec les prédictions théoriques concernant sa position énergétique, mais est quelque peu décalé.

"Jusque là, les chercheurs ont principalement utilisé du phosphore noir en vrac pour exfolier des couches atomiquement minces, " dit le professeur Oliver Rader, responsable du département Matériaux HZB pour la spintronique verte. "Ceux-ci montrent également une grande bande interdite semi-conductrice, mais ne possèdent pas la structure en nid d'abeille du phosphore bleu et, par dessus tout, ne peut pas être cultivé directement sur un substrat. Notre travail révèle non seulement toutes les propriétés matérielles de ce nouvel allotrope de phosphore bidimensionnel, mais met en évidence l'impact du substrat support sur le comportement des électrons dans le phosphore bleu, un paramètre essentiel pour toute application optoélectronique."