Elektronisk selvpassivering af en enkelt ledig stilling i sort fosfor

NUS-forskere opdagede, at et todimensionelt (2D) halvledende materiale, kendt som sort fosfor (BP), udviser et elektronisk selvpassiveringsfænomen ved at omarrangere dets ledige defekter. Dette kan potentielt forbedre ladningsmobiliteten af ​​materialet og dets analoger.

2D-halvledere med høj bærermobilitet er afgørende for udviklingen af ​​ultratynde, højhastigheds- og energieffektive elektronik- og optoelektronikenheder. Imidlertid introducerer mange af de eksisterende materialesyntese- og enhedsfremstillingsprocesser, der anvendes til 2D-halvledere, uundgåeligt overfladedefekter, især ledige stillinger med dinglende bindinger. Disse defekter fungerer ofte som uønskede dræn for ladningsbærere og ikke-strålende rekombinationscentre af fotoexciterede elektron-hul-par, hvilket begrænser enhedens ydeevne. Derfor er effektiv passivering af disse ledige overflader i højmobilitets 2D-halvledermaterialer afgørende for at bevare deres højtydende enhedskarakteristika. BP er en type 2D-materiale med høj mobilitet med adskillige anvendelser i optoelektroniske og fotovoltaiske applikationer. Da det består af et enkelt element, viser det unikke defektpassiveringsadfærd, som er forskellig fra andre 2D-halvledere lavet af to eller flere elementer (for eksempel metalchalcogenider).

Et forskerhold ledet af lektor Jiong LU fra Department of Chemistry, National University of Singapore brugte både scanning tunneling microscopy (STM) og non-contact atomic force microscopy (nc-AFM) teknikker til at vise, at den lokale rekonstruktion og ionisering af en enkelt ledighed (SV) på overfladen af ​​BP gør den negativt ladet, hvilket fører til passivering af de tilhørende dinglende bindinger og gør SV elektrisk inaktiv. Denne selvpassiveringsmekanisme kan udløses af mild termisk annealing eller ved STM-spidsmanipulation (se figur a-d), og den er afhængig af dannelsen af ​​en speciel type kemisk binding på defektstedet, kendt som homo-elementær hypervalent binding (se figuren) b). Dette arbejde udføres i samarbejde med adjunkt Aleksandr RODINs forskningsgruppe fra Yale-NUS College og professor Pavel Jelínek fra Institut for Fysik, Det Tjekkiske Videnskabsakademi.

I undersøgelsen offentliggjort i Physical Review Letters , evaluerede forskerholdet virkningen af ​​denne selvpassiveringseffekt af SV på bærermobilitetsydelsen ved at måle en felteffekttransistor (FET)-enhed lavet af BP. De sammenlignede den lokale elektroniske struktur og spredningsadfærd før og efter selvpassivering på stedet for defekten. Forskerne observerede en stigning i hulmobilitet på op til 43 %, efter at selvpassiveringsmekanismen blev udløst, hvilket førte til en forbedring af FET-enhedens ydeevne. Dette skyldes sandsynligvis inaktiveringen af ​​de dinglende bindinger på defektstedet og quenchen af ​​dets tilknyttede elektroniske tilstande i mellemrummet.

Strategier udviklet i halvlederindustrien, herunder kemisk funktionalisering og overfladebelægning, er blevet udnyttet til passivering af ledige overflader i 2D-halvledere for at fjerne de tilhørende skadelige elektroniske tilstande i mellemrummet. Imidlertid forbedrer de fleste passiveringsordninger udviklet til dato hovedsagelig fotoluminescenskvanteudbyttet uden væsentlig forbedring af ladningstransportegenskaber. Nogle forringer endda den elektroniske ydeevne ved at ændre den molekylære (van der Waals) struktur.

Prof. Lu said, "In contrast to these conventional methods, the new passivation scheme reported may represent an ideal surface passivation strategy, which can selectively deactivate only the defect states without leaving a permanent crystal lattice change and degradation of the electronic performance. Our work opens up a new route for electronic self-passivation of defects, crucial for the further optimization of the carrier mobility in BP and its analogs." + Udforsk yderligere

Plugging performance-sapping defects that hamper perovskite performance