Цепочки фосфора демонстрируют истинно одномерные электронные свойства на серебряной подложке

Группа учёных из BESSY II впервые продемонстрировала одномерные электронные свойства материала с помощью высокоточного экспериментального процесса.

Образцы и методы исследования

Образцы состояли из коротких цепочек атомов фосфора, которые самоорганизуются под определёнными углами на серебряной подложке. С помощью сложного анализа команда смогла разделить вклады этих по-разному ориентированных цепочек. Это показало, что электронные свойства каждой цепочки действительно одномерны.

Расчёты предсказывают, что при более плотной упаковке этих цепочек произойдёт захватывающий фазовый переход. В то время как материал, состоящий из отдельных цепочек с большими расстояниями между ними, является полупроводниковым, очень плотная структура цепочек будет металлической.

Публикация исследования

Работа [опубликована](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202500458) в журнале Small Structures.

Атомы и материалы

Мир материалов состоит из атомов, которые объединяются в самые разные вещества. Как правило, атомы связываются друг с другом как в одной плоскости, так и в перпендикулярной ей. Однако некоторые атомы, такие как углерод, могут также образовывать графен — двумерную (2D) гексагональную сеть, в которой они соединены только в одной плоскости. Также элемент фосфор может образовывать стабильные 2D сети.

Двумерные материалы

Двумерные материалы — это захватывающая область исследований из-за их удивительных электронных и оптических свойств. Теоретические соображения предполагают, что электро-оптические свойства одномерных структур могут быть ещё более выдающимися.

Одномерные структуры фосфора

Недавно стало возможным создавать одномерные структуры. При определённых условиях атомы фосфора выстраиваются в короткие линии на серебряной подложке. Эти цепочки морфологически одномерны. Однако, вероятно, они взаимодействуют друг с другом в боковом направлении. Такие взаимодействия влияют на электронную структуру, потенциально разрушая одномерность.

Профессор Оливер Радер, руководитель отдела «Спин и топология в квантовых материалах» в HZB, говорит: «Благодаря очень тщательной оценке измерений на BESSY II мы показали, что такие цепочки фосфора действительно имеют одномерную электронную структуру».

Доктор Андрей Варыхалов и его команда впервые создали и охарактеризовали цепочки фосфора на серебряной подложке с помощью криогенного сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Полученные изображения показали образование коротких цепочек P в трёх разных направлениях на подложке под углом 120 градусов друг к другу.

«Мы достигли очень качественных результатов, что позволило нам наблюдать стоячие волны электронов, образующиеся между цепочками», — говорит Варыхалов. Затем команда исследовала электронную структуру с помощью фотоэлектронной спектроскопии с разрешением по углу (ARPES) на BESSY II — метода, в котором они уже имеют большой опыт.

Доктор Максим Кривенков и доктор Марьям Саджеди провели новаторскую работу. Тщательно проанализировав данные, они смогли разделить вклады трёх по-разному ориентированных цепочек фосфора.

«Мы смогли разделить сигналы ARPES из этих доменов и таким образом продемонстрировать, что эти одномерные цепочки фосфора действительно обладают очень отчётливой одномерной электронной структурой», — говорит Кривенков.

Расчёты, основанные на теории функционала плотности, подтверждают этот анализ и делают захватывающее заявление: чем ближе эти цепочки друг к другу, тем сильнее их взаимодействие. Эти результаты предсказывают фазовый переход от полупроводника к металлу по мере увеличения плотности массива цепочек — в результате двумерная структура из цепочек фосфора будет металлической.

«Мы вступили в новую область исследований, неизведанную территорию, где, вероятно, будет сделано много захватывающих открытий», — говорит Варыхалов.

Предоставлено Helmholtz Association of German Research Centres.

Источник