El fósforo es un elemento químico considerado como uno de los elementos esenciales para la vida. Los compuestos de fósforo están profundamente involucrados en la estructura y función de los organismos, y así por ejemplo, los humanos llevan alrededor de un kilogramo de él en el cuerpo. Pero incluso fuera de nuestros cuerpos estamos rodeados de fosfatos y fosfonatos con los que interactuamos continuamente: en nuestra comida, en detergentes, fertilizantes o medicinas.
El fósforo se produce en varias modificaciones con propiedades extremadamente diferentes. En condiciones normales, se distingue entre el fósforo blanco, violeta, rojo y negro. En 2014, un equipo de la Universidad Estatal de Michigan (EE.UU) predijo computacionalmente el «fósforo azul», que podría producirse experimentalmente dos años después.
El fósforo azul es un material denominado como bidimensional o 2D. Debido a su estructura de una sola capa en forma de panal, recuerda al que probablemente sea el material bidimensional más conocido: el grafeno. Este novedoso material semiconductor ha sido investigado desde entonces como un candidato extremadamente prometedor para dispositivos optoelectrónicos.
El químico de la Universidad Técnica de Dresden, el profesor Thomas Heine, en cooperación con científicos mexicanos, ha hecho ahora un importante descubrimiento sobre el fósforo azul: aplicando un concepto topológico identificaron computacionalmente una estructura de panal abombado de dos capas notablemente estable de fosforeno azul mediante cálculos de gran precisión en computadoras de alto rendimiento. Sorprendentemente descubrieron que este fósforo azul tiene propiedades metálicas debido a la muy pequeña distancia entre las dos capas. Los resultados de la investigación fueron publicados como artículo destacado en la revista científica “Physical Review Letters”.
Como todos los componentes, estos dispositivos deben ser alimentados con energía, que normalmente entra en el material a través de electrodos metálicos. En la interfaz metal-semiconductor, las pérdidas de energía son inevitables, por un efecto conocido como la barrera Schottky. El fósforo azul es semiconductor como una capa simple, pero se prevé que sea metálico como una capa doble. Los materiales metálicos en 2D son muy raros, y por primera vez se ha descubierto un material elemental puro que exhibe una transición semiconductora-metal de la monocapa a la doble capa. Así, un componente electrónico u optoelectrónico para su uso en transistores o fotocélulas puede realizarse a partir de un solo elemento químico. Como en estos dispositivos no existe una interfaz entre el semiconductor y el metal, la barrera de Schottky se reduce considerablemente y se puede esperar una mayor eficiencia.
“Imagina que pones dos capas de papel una encima de la otra y de repente esta doble hoja brilla metálicamente como una lámina de oro. Esto es exactamente lo que predecimos para el fósforo azul. Este trabajo subraya la importancia de la interdisciplinariedad en la investigación básica. Utilizando un modelo matemático topológico y la química teórica, fuimos capaces de diseñar un nuevo material en el ordenador y predecir sus propiedades físicas. Se esperan aplicaciones en el campo de la nano y optoelectrónica”, explica el profesor Heine.
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