NUS-kemister har upptäckt att de bundna tillstånden för "hål" (frånvaron av en elektron som leder till en positiv nettoladdning) i svart fosfor ändras från en utsträckt ellips till en hantelform när den är elektriskt exciterad, ger nya insikter för dess användning i nästa generations elektroniska enheter.

Fosfor, ett mycket reaktivt element, kan existera i en stabil kristallin form som kallas svart fosfor (BP). BP växer fram som ett potentiellt tvådimensionellt (2D) material för utvecklingen av en ny generation av elektroniska enheter med snabbare transistorer än dagens. Detta beror på dess förmåga att ha ett avstämbart direkt bandgap (för att fungera som en switch), hög bärarmobilitet (för att bära laddningar i hög hastighet) och enastående anisotropa egenskaper i planet (för att kontrollera ledande egenskaper längs en specifik kristallorientering).

Eftersom de ursprungliga defekterna och föroreningarna som introduceras under syntesen och bearbetningen av BP påverkar dess materialegenskaper och enhetsegenskaper, det är viktigt att ha en bättre förståelse för dessa effekter på atomnivå, för att utveckla enheter med bättre prestanda.

Ett team ledd av professor LU Jiong från Institutionen för kemi, NUS har upptäckt att när BP går från ett icke-exciterat marktillstånd till ett exciterat tillstånd, den rumsliga formen av dess bundna håltillstånd utvecklas från en utsträckt elliptisk form till en hantelform. Ett bundet tillstånd hänvisar till en partikels tendens att förbli lokaliserad i en specifik region när den utsätts för ett potentiellt fält. I BP, varje hål samverkar och kretsar runt den negativt laddade kärnan, bildar bundna håltillstånd. Detta är analogt med Bohr-modellen för väteatomen, där den enskilda elektronen omger atomkärnan. Teamet gjorde denna upptäckt genom att använda lågtemperatur scanning tunneling microscopy (STM), en atomupplösningsteknik, och körde den vid 4,5 kelvin för att sondera materialytan. Vid så låg temperatur, STM-spetsen kan placeras över enskilda defekter med en ultralåg drift som krävs för att få stabila mätningar. Deras resultat ger en generisk bild av den rumsliga strukturen och elektroniska egenskaperna hos bundna tillstånd nära grunda dopämnen (som kräver lite energi för att producera fria bärare) i BP.

Prof Lu sa, "Det oexciterade bundna håltillståndet (1s) uppvisar en anisotrop elliptisk form, i skarp kontrast till väteatomens symmetriska 1s orbitalform. Den rumsliga formen är ett resultat av att de bundna håltillstånden är kraftigt utsträckta längs en kristallorientering medan de komprimeras längs en annan kristallorientering. Vår studie fångar direkt de anisotropa beteendena hos enskilda hålbärare i BP, erbjuder oöverträffade atomära insikter i högmobilitetstransportanisotropi hos BP-transistorer".

"Vi visade också att laddningstillståndet för individuella acceptorer kan växlas reversibelt med hjälp av STM-spetsen. Möjligheten att manipulera laddningstillstånden för enskilda dopämnen kan möjliggöra realiseringen av en laddningsbaserad qubit och vidareutveckling av kvantenheter, " tillade prof Lu.