NUS-wetenschappers ontdekten dat een tweedimensionaal (2D) halfgeleidend materiaal, bekend als zwarte fosfor (BP), een elektronisch zelfpassiveringsfenomeen vertoont door de leegstandsdefecten te herschikken. Dit kan mogelijk de ladingsmobiliteit van het materiaal en zijn analogen verbeteren.

2D-halfgeleiders met een hoge draaggolfmobiliteit zijn essentieel voor de ontwikkeling van ultradunne, snelle en energiezuinige elektronica en opto-elektronica. Veel van de bestaande materiaalsynthese- en apparaatfabricageprocessen die worden gebruikt voor 2D-halfgeleiders introduceren echter onvermijdelijk oppervlaktedefecten, met name vacatures met bungelende verbindingen. Deze defecten fungeren vaak als ongewenste putten voor ladingsdragers en niet-stralingsrecombinatiecentra van foto-geëxciteerde elektron-gatparen, waardoor de prestaties van het apparaat worden beperkt. Daarom is effectieve passivering van deze oppervlaktevacatures in 2D-halfgeleidermaterialen met hoge mobiliteit van vitaal belang om hun hoogwaardige apparaatkenmerken te behouden. BP is een type 2D-materiaal met hoge mobiliteit dat veelvuldig wordt gebruikt in opto-elektronische en fotovoltaïsche toepassingen. Omdat het uit één enkel element bestaat, vertoont het een uniek passiveringsgedrag voor defecten dat verschilt van andere 2D-halfgeleiders die zijn gemaakt van twee of meer elementen (bijvoorbeeld metaalchalcogeniden).

Een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Jiong LU van het Department of Chemistry, National University of Singapore, gebruikte zowel scanning tunneling microscopie (STM) als non-contact atomic force microscopie (nc-AFM) technieken om aan te tonen dat de lokale reconstructie en ionisatie van een een enkele vacature (SV) op het oppervlak van de BP maakt deze negatief geladen, wat leidt tot de passivering van de bijbehorende bungelende bindingen en de SV elektrisch inactief maakt. Dit zelfpassiveringsmechanisme kan worden geactiveerd door milde thermische annealing of door STM-tipmanipulatie (zie figuur a-d) en het is gebaseerd op de vorming van een speciaal type chemische binding op de plaats van het defect, bekend als homo-elementaire hypervalente binding (zie figuur). b). Dit werk wordt uitgevoerd in samenwerking met de onderzoeksgroep van universitair docent Aleksandr RODIN van het Yale-NUS College en professor Pavel Jelínek van het Institute of Physics, Czech Academy of Sciences.

In de studie gepubliceerd in Physical Review Letters , evalueerde het onderzoeksteam de impact van dit zelfpassiveringseffect van de SV op de prestaties van de vervoerdermobiliteit door een veldeffecttransistor (FET) -apparaat gemaakt van BP te meten. Ze vergeleken de lokale elektronische structuur en het verstrooiingsgedrag voor en na zelfpassivering op de plaats van het defect. De onderzoekers observeerden een toename van de mobiliteit van gaten tot 43% nadat het zelfpassiveringsmechanisme was geactiveerd, wat leidde tot een verbetering van de prestaties van het FET-apparaat. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de inactivering van de bungelende bindingen op de plaats van het defect en het uitdoven van de bijbehorende elektronische toestanden in de opening.

Strategieën die zijn ontwikkeld in de halfgeleiderindustrie, waaronder chemische functionalisering en oppervlaktecoating, zijn gebruikt voor de passivering van oppervlaktevacatures in 2D-halfgeleiders om de bijbehorende schadelijke elektronische toestanden in-gap te verwijderen. De meeste tot nu toe ontwikkelde passiveringsschema's verbeteren echter voornamelijk de kwantumopbrengst van fotoluminescentie zonder significante verbetering van de ladingstransporteigenschappen. Some even degrade the electronic performance by altering the molecular (van der Waals) structure.

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." + Verder verkennen

Plugging performance-sapping defects that hamper perovskite performance