NUS-forskare upptäckte att ett tvådimensionellt (2D) halvledande material, känt som svart fosfor (BP), uppvisar ett elektroniskt självpassiveringsfenomen genom att omarrangera sina vakansdefekter. Detta kan potentiellt förbättra laddningsmobiliteten för materialet och dess analoger.

2D-halvledare med hög bärarmobilitet är avgörande för utvecklingen av ultratunna, höghastighets- och energieffektiva elektronik- och optoelektronikenheter. Men många av de befintliga materialsyntes- och enhetsframställningsprocesserna som används för 2D-halvledare introducerar oundvikligen ytdefekter, särskilt vakanser med hängande bindningar. Dessa defekter fungerar ofta som oönskade sänkor för laddningsbärare och icke-strålningsrekombinationscentra för fotoexciterade elektron-hålpar, vilket begränsar enhetens prestanda. Därför är effektiv passivering av dessa ytvakanser i högrörliga 2D-halvledarmaterial avgörande för att bibehålla deras högpresterande enhetsegenskaper. BP är en typ av 2D-material med hög rörlighet med många användningsområden i optoelektroniska och fotovoltaiska applikationer. Eftersom det består av ett enda element, visar det unika passiveringsbeteenden för defekter som skiljer sig från andra 2D-halvledare gjorda av två eller flera element (till exempel metallkalkogenider).

En forskargrupp ledd av docent Jiong LU från Department of Chemistry, National University of Singapore använde både scanning tunneling microscopy (STM) och non-contact atomic force microscopy (nc-AFM) tekniker för att visa att den lokala rekonstruktionen och joniseringen av en enkel vakans (SV) på ytan av BP gör den negativt laddad, vilket leder till passivering av de tillhörande hängande bindningarna och gör SV elektriskt inaktiv. Denna självpassiveringsmekanism kan utlösas av mild termisk glödgning eller genom STM-spetsmanipulation (se figur a-d) och den förlitar sig på bildandet av en speciell typ av kemisk bindning vid defektstället, känd som homo-elemental hypervalent bindning (se figur b). Detta arbete utförs i samarbete med biträdande professor Aleksandr RODINs forskargrupp från Yale-NUS College och professor Pavel Jelínek från Institutet för fysik, Tjeckiska vetenskapsakademin.

I studien publicerad i Physical Review Letters , utvärderade forskargruppen effekten av denna självpassiveringseffekt av SV på bärarens mobilitetsprestanda genom att mäta en fälteffekttransistor (FET)-enhet gjord av BP. De jämförde den lokala elektroniska strukturen och spridningsbeteendet före och efter självpassivering på platsen för defekten. Forskarna observerade en ökning i hålrörlighet med upp till 43 % efter att självpassiveringsmekanismen utlösts, vilket ledde till förbättringen av FET-enhetens prestanda. Detta beror sannolikt på inaktiveringen av de hängande bindningarna vid defektplatsen och släckningen av dess tillhörande elektroniska tillstånd i mellanrum.

Strategier utvecklade inom halvledarindustrin, inklusive kemisk funktionalisering och ytbeläggning, har utnyttjats för passivering av ytvakanser i 2D-halvledare för att ta bort de tillhörande skadliga elektroniska tillstånden i gap. De flesta passiveringsscheman som utvecklats hittills förbättrar dock huvudsakligen fotoluminescenskvantutbytet utan signifikant förbättring av laddningstransportegenskaper. Vissa försämrar till och med den elektroniska prestandan genom att ändra den molekylära (van der Waals) strukturen.

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." + Utforska vidare

Plugging performance-sapping defects that hamper perovskite performance