Свободные электроны, перескакивающие между отдельными слоями атомов в узлах кристаллической решетки, отвечают за сокращение ширины запрещенной зоны в многослойном черном фосфоре (также известном, как фосфорен) – новом технологически важном двумерном материале. Это открытие ученых из Нидерландов довольно неожиданно, поскольку доказывает, что природа фосфорена разительно отличается от других известных двумерных материалов, таких графен или дихалькогениды переходных металлов.

Как и другие известные двумерные материалы (к примеру, графен или дихалькогениды переходных металлов), черный фосфор имеет совершенно уникальные электронные и механические свойства, разительно отличающиеся от трехмерного образца материала. В перспективе эти особенности могут найти широкое применение в самых разнообразных новых устройствах.

Как и графен (представляющий собой лист атомов углерода, образующих двумерную гексагональную кристаллическую решетку), черный фосфор – слоистый материал, содержащий отдельные атомы фосфора, расположенные в углах шестиугольников.

Между собой отдельные атомные слои скрепляются за счет сил Ван-дер-Ваальса, как это происходит в дихалькогенидах переходных металлов. Однако поверхность фосфорена – «гофрированная», что приводит к проявлению электронных свойств, не похожих на свойства других двумерных материалов.

Объемный фосфорен является полупроводником с запрещенной зоной умеренной ширины (между 0,31 и 0,35 эВ), но, согласно теоретическим прогнозам, монослой этого материала – изолятор с запрещенной зоной значительно большей ширины.

Причем, эта ширина варьируется, в зависимости от количества слоев фосфора. Хотя частично теоретические прогнозы уже подтверждены лабораторными экспериментами, исследователи все еще не обладают полной информацией относительно того, почему происходит столь значительное расширение запрещенной зоне при переходе к монослоям.

Рис. 1. Вид в двух проекциях (сверху и сбоку) кристаллической структуры монослоя фосфорена.

В своей последней работе группа ученых из Radboud University Nijmegen (Нидерланды) сделала первый детальный анализ электронных свойств монослоя и объемного фосфорена на основе модели сильной связи. Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Physical Review B.

Анализ, по словам самих ученых, проливает свет на происхождение запрещенной зоны в фосфорене, а также на ее развитие, в зависимости от числа слоев в материале.

Кроме того, опубликованные данные вполне могут служить в качестве отправной точки для дальнейших теоретических исследований транспорта заряда, свойств и всевозможных эффектов, наблюдаемых в фосфорене.

Как было отмечено выше, переход от полупроводника к изолятору наблюдается в фосфорене, когда объем материала сокращается до монослоя. Подобный эффект не наблюдается в других известных двумерных материалах, к примеру, дихалькогенидах переходных металлов (которые превращаются из объемных полупроводников с непрямой запрещенной зоной в «прямые» полупроводники при уменьшении толщины образца). Чтобы понять, почему так происходит, ученые использовали несколько необычный подход к вычислениям: вместо того, чтобы иметь дело с функционалами плотности, они решали задачу множественного электрон-электронного взаимодействия.

Разработанная учеными модель показала, что

межслоевые переходы электронов сильно влияют на формирование запрещенной зоны в многослойном фосфорене. Такое поведение совершенно не похоже на явления, происходящие в графене и других двумерных материалах. Но оно хорошо объясняет наблюдаемые явления.