Cadeias de fósforo exibem verdadeiras propriedades eletrônicas 1D em um substrato de prata

Pela primeira vez, uma equipe do BESSY II conseguiu demonstrar as propriedades eletrônicas unidimensionais de um materials através de um processo experimental altamente refinado.

As amostras consistiam em cadeias curtas de átomos de fósforo que se auto-organizam em ângulos específicos sobre um substrato de prata. Através de análises sofisticadas, a equipa conseguiu desvendar as contribuições destas cadeias alinhadas de forma diferente. Isto revelou que as propriedades eletrônicas de cada cadeia são de fato unidimensionais. Os cálculos prevêem que uma transição de fase emocionante será esperada assim que essas cadeias estiverem mais compactadas. Embora o materials que consiste em cadeias individuais com distâncias mais longas seja semicondutor, uma estrutura de cadeia muito densa seria metálica.

O trabalho é publicado no diário Pequenas Estruturas.

O mundo materials consiste em átomos que se combinam em múltiplas substâncias diferentes. Como regra, os átomos se ligam entre si tanto em um plano quanto em um plano perpendicular a ele. No entanto, alguns átomos, como o carbono, também podem formar o grafeno, uma rede hexagonal bidimensional (2D) na qual estão conectados apenas em um plano. Além disso, o elemento fósforo pode formar redes 2D estáveis.

Os materiais 2D são uma área de pesquisa interessante devido às suas incríveis propriedades eletrônicas e ópticas. Considerações teóricas sugerem que o eletro-propriedades ópticas de estruturas unidimensionais poderia ser ainda mais extraordinário.

Cadeias de átomos de fósforo

Recentemente, tornou-se possível produzir estruturas unidimensionais. Sob certas condições, os átomos de fósforo organizam-se em linhas curtas sobre um substrato de prata. Essas cadeias são morfologicamente unidimensionais. No entanto, é provável que interajam lateralmente com outras cadeias. Tais interações influenciam o estrutura eletrônicapotencialmente destruindo a unidimensionalidade. Até agora, porém, não foi possível medir isso com precisão em experimentos.

“Através de uma avaliação muito completa das medições no BESSY II, mostramos agora que tais cadeias de fósforo realmente têm uma estrutura eletrônica unidimensional”, diz o professor Oliver Rader, chefe do departamento de Spin e Topologia em Materiais Quânticos do HZB.

ARPES no BESSY II mostra uma estrutura eletrônica 1D

Andrei Varykhalov e sua equipe produziram e caracterizaram pela primeira vez cadeias de fósforo em um substrato de prata usando um microscópio de tunelamento de varredura criogênica (STM). As imagens resultantes revelaram a formação de cadeias curtas de P em três direções diferentes no substrato, em ângulos de 120 graus entre si.

“Obtivemos resultados de altíssima qualidade, que nos permitiram observar ondas estacionárias de elétrons se formando entre as cadeias”, diz Varykhalov. A equipe investigou então a estrutura eletrônica usando espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo (ARPES) no BESSY II, um método com o qual já têm muita experiência.

Transição de fase com densidade prevista

Maxim Krivenkov e Dra. Maryam Sajedi fizeram um trabalho pioneiro. Ao analisar cuidadosamente os dados, eles conseguiram distinguir as contribuições das três cadeias de fósforo orientadas de forma diferente.

“Poderíamos desembaraçar os sinais ARPES desses domínios e, assim, demonstrar que essas cadeias de fósforo 1D também possuem uma estrutura eletrônica 1D muito distinta”, diz Krivenkov.

Cálculos baseados na teoria do funcional da densidade confirmam esta análise e fazem uma afirmação interessante: quanto mais próximas estas cadeias estiverem umas das outras, mais forte será a sua interacção. Estes resultados prevêem uma transição de fase do semicondutor para o steel à medida que a densidade do conjunto de cadeias aumenta – como conclusão, um sistema bidimensional fósforo a estrutura da cadeia seria metálica.

“Entramos aqui num novo campo de investigação, um território desconhecido onde é provável que sejam feitas muitas descobertas interessantes”, diz Varykhalov.