I chimici del NUS hanno scoperto che gli stati legati dei "buchi" (l'assenza di un elettrone che porta a una carica netta positiva) nel fosforo nero cambia da un'ellisse estesa in una forma a manubrio quando viene eccitato elettricamente, fornendo nuovi spunti per il suo utilizzo nei dispositivi elettronici di prossima generazione.

Fosforo, un elemento altamente reattivo, può esistere in una forma cristallina stabile nota come fosforo nero (BP). BP sta emergendo come un potenziale materiale bidimensionale (2D) per lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi elettronici con transistor più veloci di quelli odierni. Ciò è dovuto alla sua capacità di avere un bandgap diretto sintonizzabile (per agire come un interruttore), elevata mobilità del portatore (per trasportare cariche ad alta velocità) ed eccezionali proprietà anisotrope nel piano (per controllare le proprietà conduttive lungo uno specifico orientamento del cristallo).

Poiché i difetti nativi e le impurità introdotte durante la sintesi e l'elaborazione di BP influenzano le sue proprietà del materiale e le caratteristiche del dispositivo, è importante avere una migliore comprensione di questi effetti a livello atomico, in modo da sviluppare dispositivi con prestazioni migliori.

Un team guidato dal Prof LU Jiong del Dipartimento di Chimica, NUS ha scoperto che quando BP passa da uno stato fondamentale non eccitato a uno stato eccitato, la forma spaziale dei suoi stati di foro rilegato evolve da una forma ellittica estesa a una forma a manubrio. Uno stato legato si riferisce alla tendenza di una particella a rimanere localizzata in una regione specifica quando soggetta a un campo potenziale. In BP, ogni foro interagisce e orbita attorno al nucleo caricato negativamente, formando stati di foro vincolato. Questo è analogo al modello di Bohr per l'atomo di idrogeno, in cui il singolo elettrone circonda il nucleo atomico. Il team ha fatto questa scoperta utilizzando la microscopia a effetto tunnel a scansione a bassa temperatura (STM), una tecnica di imaging a risoluzione atomica, e lo ha azionato a 4,5 kelvin per sondare la superficie del materiale. A una temperatura così bassa, la punta STM può essere posizionata su singoli difetti con una deriva ultrabassa necessaria per ottenere misurazioni stabili. I loro risultati forniscono un quadro generico della struttura spaziale e delle proprietà elettroniche degli stati legati vicino a droganti poco profondi (che richiedono poca energia per produrre portatori liberi) in BP.

Il professor Lu ha detto, "Lo stato del foro legato non eccitato (1s) mostra una forma ellittica anisotropa, in netto contrasto con la forma orbitale simmetrica 1s dell'atomo di idrogeno. La forma spaziale è il risultato del fatto che gli stati del foro legato sono fortemente estesi lungo un orientamento del cristallo mentre vengono compressi lungo un altro orientamento del cristallo. Il nostro studio cattura direttamente i comportamenti anisotropi dei singoli portatori di lacune in BP, offrendo approfondimenti atomici senza precedenti sull'anisotropia del trasporto ad alta mobilità dei transistor BP".

"Abbiamo anche dimostrato che lo stato di carica dei singoli accettori può essere commutato in modo reversibile utilizzando la punta STM. La capacità di manipolare gli stati di carica dei singoli droganti può consentire la realizzazione di un qubit basato sulla carica e l'ulteriore sviluppo di dispositivi quantistici, " ha aggiunto il prof.