Rumlig struktur af bundne hultilstande i sort fosfor

NUS-kemikere har opdaget, at de bundne tilstande af "huller" (fraværet af en elektron, som fører til en netto positiv ladning) i sort fosfor ændres fra en forlænget ellipse til en håndvægtsform, når den er elektrisk exciteret, giver ny indsigt til brug i næste generations elektroniske enheder.

Fosfor, et meget reaktivt element, kan eksistere i en stabil krystallinsk form kendt som sort phosphor (BP). BP dukker op som et potentielt todimensionelt (2D) materiale til udviklingen af ​​en ny generation af elektroniske enheder med hurtigere transistorer end i dag. Dette skyldes dets evne til at have et justerbart direkte båndgab (til at fungere som en switch), høj bærermobilitet (til at bære ladninger ved høj hastighed) og fremragende anisotrope egenskaber i planet (til styring af ledende egenskaber langs en specifik krystalorientering).

Da de native defekter og urenheder introduceret under syntesen og behandlingen af ​​BP påvirker dets materialeegenskaber og enhedskarakteristika, det er vigtigt at have en bedre forståelse af disse effekter på atomniveau, for at udvikle enheder med bedre ydeevne.

Et hold ledet af prof LU Jiong fra Institut for Kemi, NUS har opdaget, at når BP går fra en ikke-exciteret grundtilstand til en exciteret tilstand, den rumlige form af dens bundne hultilstande udvikler sig fra en udvidet elliptisk form til en håndvægtsform. En bundet tilstand refererer til en partikels tendens til at forblive lokaliseret i et specifikt område, når det udsættes for et potentielt felt. I BP, hvert hul interagerer og kredser omkring den negativt ladede kerne, danner bundne hultilstande. Dette er analogt med Bohr-modellen for brintatomet, hvor den enkelte elektron omkranser atomkernen. Teamet gjorde denne opdagelse ved hjælp af lavtemperatur scanning tunneling mikroskopi (STM), en billeddannelsesteknik med atomopløsning, og betjente den ved 4,5 kelvin for at undersøge materialets overflade. Ved så lav temperatur, STM-spidsen kan placeres over individuelle defekter med en ultralav drift, der er nødvendig for at opnå stabile målinger. Deres resultater giver et generisk billede af den rumlige struktur og elektroniske egenskaber af bundne tilstande nær lavvandede dopingmidler (som kræver lidt energi for at producere frie bærere) i BP.

Prof Lu sagde, "Den uexciterede bundne hultilstand (1s) udviser en anisotropisk elliptisk form, i skarp kontrast til brintatomets symmetriske 1s orbitale form. Den rumlige form er et resultat af, at de bundne hultilstande udvides kraftigt langs en krystalorientering, mens de komprimeres langs en anden krystalorientering. Vores undersøgelse fanger direkte den anisotrope adfærd hos individuelle hulbærere i BP, tilbyder hidtil uset atomær indsigt i højmobilitetstransportanisotropi af BP-transistorer".

"Vi demonstrerede også, at ladestatus for individuelle acceptorer kan reverseres reversibelt ved hjælp af STM-spidsen. Evnen til at manipulere ladningstilstande for individuelle dopemidler kan muliggøre realisering af en ladningsbaseret qubit og videreudvikling af kvanteenheder, "tilføjede professor Lu.