NUS-chemici hebben ontdekt dat de gebonden toestanden van "gaten" (de afwezigheid van een elektron dat leidt tot een netto positieve lading) in zwarte fosfor verandert van een verlengde ellips in een haltervorm wanneer het elektrisch wordt geëxciteerd, biedt nieuwe inzichten voor het gebruik ervan in elektronische apparaten van de volgende generatie.

Fosfor, een zeer reactief element, kan voorkomen in een stabiele kristallijne vorm die bekend staat als zwarte fosfor (BP). BP komt naar voren als een potentieel tweedimensionaal (2D) materiaal voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie elektronische apparaten met snellere transistors dan die van vandaag. Dit komt door het vermogen om een ​​afstembare directe bandgap te hebben (om als schakelaar te fungeren), hoge draaggolfmobiliteit (voor het transporteren van ladingen met hoge snelheid) en uitstekende anisotrope eigenschappen in het vlak (voor het regelen van geleidende eigenschappen langs een specifieke kristaloriëntatie).

Aangezien de natieve defecten en onzuiverheden die tijdens de synthese en verwerking van BP worden geïntroduceerd, de materiaaleigenschappen en apparaatkenmerken beïnvloeden, het is belangrijk om deze effecten op atomair niveau beter te begrijpen, om apparaten met betere prestaties te ontwikkelen.

Een team onder leiding van prof. LU Jiong van het departement Chemie, NUS heeft ontdekt dat wanneer BP van een niet-aangeslagen grondtoestand naar een aangeslagen toestand gaat, de ruimtelijke vorm van zijn gebonden gattoestanden evolueert van een verlengde elliptische vorm naar een haltervorm. Een gebonden toestand verwijst naar de neiging van een deeltje om gelokaliseerd te blijven in een specifiek gebied wanneer het wordt onderworpen aan een potentieel veld. in BP, elk gat interageert en draait rond de negatief geladen kern, het vormen van gebonden gattoestanden. Dit is analoog aan het Bohr-model voor het waterstofatoom, waarin het enkele elektron de atoomkern omringt. Het team deed deze ontdekking met behulp van lage temperatuur scanning tunneling microscopie (STM), een atomaire resolutie beeldvormingstechniek, en stelde hem in werking bij 4,5 kelvin om het materiaaloppervlak te onderzoeken. Bij zo'n lage temperatuur de STM-tip kan over individuele defecten worden gepositioneerd met een ultralage drift die nodig is voor het verkrijgen van stabiele metingen. Hun bevindingen geven een generiek beeld van de ruimtelijke structuur en elektronische eigenschappen van gebonden toestanden in de buurt van ondiepe doteerstoffen (die weinig energie nodig hebben om vrije dragers te produceren) in BP.

Prof Lu zei, "De niet-opgewonden toestand van het gebonden gat (1s) vertoont een anisotrope elliptische vorm, in schril contrast met de symmetrische 1s orbitale vorm van het waterstofatoom. De ruimtelijke vorm is het resultaat van het feit dat de gebonden gattoestanden sterk worden uitgebreid langs een kristaloriëntatie terwijl ze worden samengedrukt langs een andere kristaloriëntatie. Onze studie legt direct het anisotrope gedrag van individuele gatendragers in BP vast, biedt ongekende atomaire inzichten in transportanisotropie met hoge mobiliteit van BP-transistoren".

"We hebben ook aangetoond dat de laadtoestand van individuele acceptoren omkeerbaar kan worden geschakeld met behulp van de STM-tip. Het vermogen om de laadtoestanden van individuele doteermiddelen te manipuleren, kan de realisatie van een op ladingen gebaseerde qubit en verdere ontwikkeling van kwantumapparaten mogelijk maken, ", voegde professor Lu toe.