Les propriétés exceptionnelles du graphène ont conduit les chercheurs à explorer de nouveaux matériaux bidimensionnels (2D) tels que, le silicène, les dichalcogénures de métaux de transition, le germanène, le borophène, le stanène et plus récemment le phosphorène. Ce dernier, constitué d’une ou de quelques couches atomiques de phosphore, a récemment fait l’objet d’une attention particulière en raison de ses propriétés exotiques, en particulier la possibilité d’avoir une bande interdite directe accordable (de 0,3 eV à 1,8 eV) en fonction du nombre de couches de phosphore.

Malheureusement, la synthèse du phosphorène est basée principalement sur la méthode d’exfoliation à partir d’un cristal 3D de phosphore noir ce qui limite fortement la taille et la qualité des couches de phosphorène et par conséquent leurs intégration dans des dispositifs optoélectroniques. Il est donc primordial d’utiliser des techniques adaptables à l’industrie tels que la croissance par épitaxie.
Pour la première fois, des équipes de l’ISMO, du CEA, du Synchrotron SOLEIL et de l’Université Centrale de Floride, ont réussi à faire croitre par épitaxie une nouvelle structure de pentamères de phosphore auto assemblées sur un substrat d’argent.
Les images de microscopie à effet tunnel en résolution atomique, enregistrées à basse température (78 K) montrent des pentamères de phosphore organisées en une couche 2D (Figure 1). Les mesures par spectroscopie à effet tunnel démontrent un caractère semi-conducteur avec une bande interdite de 1,20 eV alors que les mesures de spectroscopie par rayons X à l’aide du Rayonnement Synchrotron révèlent une faible interaction chimique entre les pentamères du phosphore et le substrat d’argent. Ces résultats sont confirmés par les calculs théoriques réalisés à l’Université Centrale de Floride.

Ce nouveau matériau 2D à base de phosphore inaugure une nouvelle classe de matériaux 2D capables de détecter et/ou d’émettre de la lumière dans le domaine visible et infra-rouge avec une meilleure efficacité et une meilleure rapidité que les matériaux massifs.

Figure 1

Pentamères de phosphore auto-assemblés sur une surface d’argent. La courbe de spectroscopie tunnel montre une bande interdite de 1.2 eV. En haut à droite, la simulation numérique de la structure de pentamères de phosphore observée par microscopie à effet tunnel.

Phosphorus Pentamers: Floating Nanoflowers form a 2D Network

Wei Zhang, Hanna Enriquez, Yongfeng Tong, Andrew J. Mayne, Azzedine Bendounan, Yannick J. Dappe, Abdelkader Kara, Gérald Dujardin, Hamid Oughaddou

Advanced Functional Materials 2004531 (2020)

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