El grafeno, el primer material 2D conocido, tiene una estructura electrónica única. Si dibujamos la relación entre la energía de los electrones del grafeno y su momento (también llamada relación de dispersión), no obtenemos dos paraboloides (de valencia y conducción, correspondientes a una energía proporcional al cuadrado del impulso) como en un material clásico sino un cono, llamados conos de Dirac (la energía es proporcional al impulso).
Los electrones de Dirac en el nivel de Fermi tienen propiedades singulares: todo sucede como si su masa fuera cero, lo que les da la posibilidad de viajar a una velocidad constante, como la luz. Esta propiedad ayuda a explicar el efecto Hall cuántico observado en el grafeno (este artículo no debe confundirse con el artículo sobre el grafema).
a) Imagen STM que muestra la estructura de la lámina de fosforeno azul depositada sobre el cobre.
b) Curvas dI/dV correspondientes a la densidad de estados electrónicos en la superficie de cobre limpia y después de la deposición de la lámina de fosforeno azul. Estas curvas muestran que el fosforeno tiene un carácter metálico ya que el dI/dV correspondiente no revela ningún gap electrónico (densidad electrónica distinta de cero).
c) Figura ARPES después de la deposición de fosforeno azul, que muestra dos dispersiones lineales en forma de cono de Dirac, firma de la presencia de electrones de Dirac típicos de los que se encuentran en el grafeno.
d) Modelo atómico de la hoja de fosforeno azul definido a partir de la imagen STM en a) y utilizado para los cálculos de DFT. Los átomos en azul oscuro (primera capa) y azul claro (segunda capa) corresponden al fosforeno y los átomos amarillos corresponden al cobre.
© ISMO, SPEC, SOLEIL.
Tras el descubrimiento del grafeno, la comunidad científica se embarcó en la búsqueda de nuevos materiales (Un material es un material de naturaleza o artificial que el hombre fabrica para él…) en dos dimensiones (En el sentido común, la noción de dimensión se refiere a la tamaño; las dimensiones de una habitación…). Así fue como recientemente se sintetizó el fosforeno azul, a base de átomos de fósforo (El fósforo es un elemento químico de la familia de los pnictógenos, de símbolo P y…). Tiene una estructura atómica de panal similar al grafeno pero ligeramente corrugado, como el hierro corrugado. Si el grafeno es metálico, el fosforeno azul sintetizado hasta ahora se comporta como un semiconductor (Un semiconductor es un material que tiene las características eléctricas de un…) y por tanto encuentra aplicaciones para nuevos dispositivos electrónicos.
Tres equipos de la meseta de Saclay, del Instituto de Ciencias Moleculares de Orsay (ISMO, CNRS / Paris-Saclay University (Una universidad es un establecimiento de educación superior cuyo objetivo es…)), de Sincrotrón (El término sincrotrón designa un gran electromagnético instrumento destinado a…) SOLEIL (SOLEIL, CNRS) y el Departamento de Física del Estado Condensado (SPEC, CEA / CNRS), en colaboración con un equipo de la Universidad Central de Florida y un equipo de la Universidad Mohammed 5 de Marruecos han logrado, por primera vez, en la síntesis de una monocapa de fosforeno azul, esta vez presentando una estructura electrónica con un carácter metálico similar al que se encuentra en el grafeno. Su trabajo se publica en Advanced Functional Materials.
Para ello, los investigadores depositaron átomos de fósforo en un cristal de cobre orientado (111) por evaporación en ultra alto vacío. De este modo, pudieron identificar la estructura atómica y electrónica de una lámina de fosforeno azul combinando herramientas analíticas avanzadas como la microscopía (la microscopía es la observación de una muestra (colocada en una preparación microscópica…) y la espectroscopía de efecto túnel (el efecto de efecto túnel) se refiere a la propiedad que tiene un objeto cuántico de atravesar…) (STM-STS), difracción (La difracción es el comportamiento de las ondas cuando encuentran un obstáculo que no lo es…) haz de electrones lento (LEED), fotoelectrón espectroscopia (PES) y espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) en la línea de luz TEMPO del sincrotrón SOLEIL.
La microcopia y la espectroscopia de túnel de barrido mostraron que la hoja de fosforeno azul está muy ordenada y que su ondulación natural se reduce por la interacción con el sustrato de cobre, acercándola a la forma natural del grafeno. La espectroscopia de efecto túnel también revela un carácter metálico, mientras que la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) ha identificado estados electrónicos con una relación de dispersión (Dispersión, en mecánica ondulatoria, es el fenómeno que afecta a una onda en forma lineal…) en forma de cono, características de un cono de Dirac (Figura 1). Este cono constituye de manera totalmente análoga al grafeno una firma inequívoca de la presencia de electrones de Dirac dentro de la lámina de fosforeno azul.
Cálculos en el marco de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) han permitido validar esta estructura y su carácter metálico.
Este descubrimiento, que requiere más estudios sobre las propiedades de Dirac del fosforeno azul, abre perspectivas fascinantes tanto desde un punto de vista fundamental como aplicado en el estudio de un nuevo material bidimensional versátil que exhibe un cono de Dirac.
Referencias:
Fermiones de Dirac en monocapa de fosforeno azul,
Youness Kaddar, Wei Zhang, Hanna Enriquez, Yannick J. Dappe, Azzedine Bendounan, Gérald Dujardin, Omar Mounkachi, Abdallah El kenz, Abdelilah Benyoussef, Abdelkader Kara y Hamid Oughaddou, Materiales funcionales avanzados, publicado el 20 de febrero de 2023.
DOI: 10.1002/adfm.202213664
¿Te ha gustado este artículo? ¿Quieres apoyarnos? Compártelo en las redes sociales con tus amigos y/o coméntalo, ¡esto nos animará a publicar más temas similares!