Forskare vid BESSY II har experimentellt verifierat att självorganiserade fosforkedjor på en silveryta uppvisar verkligt endimensionella elektroniska egenskaper. Genom att separera signaler från kedjor i olika riktningar avslöjade teamet varje kjeders distinkta endimensionella elektronstruktur. Resultaten tyder på att ökad kedjedensitet kan skifta materialet från halvledar- till metallbeteende.
Forskare vid BESSY II, en synkrotronstrålningsanläggning, har för första gången experimentellt bekräftat att korta kedjor av fosforatomer kan härbärgera genuint endimensionellt elektronbeteende. Dessa kedjor självorganiserar sig på ett silverunderlag under kontrollerade förhållanden och bildar raka linjer i tre distinkta riktningar separerade med 120-graders vinklar. Även om kedjorna framstår som strukturellt endimensionella har potentiella laterala interaktioner mellan närliggande kedjor tidigare väckt frågor om deras elektroniska egenskaper. För att undersöka använde Dr. Andrei Varykhalov och kollegor ett kryogent sveptunnelmikroskop för att skapa och avbilda fosforkedjorna. De använde sedan vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi (ARPES) vid BESSY II för att kartlägga den elektroniska strukturen. «Vi uppnådde resultat av mycket hög kvalitet, vilket gjorde det möjligt för oss att observera stående elektronvågor som bildas mellan kedjorna», säger Varykhalov. Genom att noggrant separera signaler från de tre olika orienterade kedjedomainerna isolerade Dr. Maxim Krivenkov och Dr. Maryam Sajedi varje kedjas elektroniska signatur. Denna analys visade att elektronerna är confinierade till en enda dimension inom individuella kedjor. «Genom en mycket grundlig utvärdering av mätningar vid BESSY II har vi nu visat att sådana fosforkedjor verkligen har en endimensionell elektronstruktur», säger professor Oliver Rader, chef för avdelningen Spin och Topologi i Kvantmaterial vid HZB. Vidare, «Vi kunde separera ARPES-signalerna från dessa domäner och därmed visa att dessa 1D-fosforkedjor faktiskt har en mycket distinkt 1D-elektronstruktur också», tillägger Krivenkov. Beräkningar med densitetsfunktionalteori stöder dessa resultat och förutspår en fasövergång: när kedjorna är mer åtskilda beter sig materialet som en halvledare, men tätare packning i en tvådimensionell array skulle göra det metalliskt. Studien öppnar nya vägar inom materialvetenskap, särskilt för endimensionella strukturer härledda från tvådimensionella material som fosforen. «Vi har här inträtt i ett nytt forskningsfält, o cartat territorium där många spännande upptäckter troligen kommer att göras», säger Varykhalov. Forskningen publiceras i Small Structures (2025; 6(12)), DOI: 10.1002/sstr.202500458.