Gli scienziati del NUS hanno scoperto che un materiale semiconduttore bidimensionale (2D), noto come fosforo nero (BP), mostra un fenomeno di autopassivazione elettronica riorganizzando i suoi difetti di posto vacante. Ciò può potenzialmente migliorare la mobilità della carica del materiale e dei suoi analoghi.

I semiconduttori 2D con un'elevata mobilità del vettore sono essenziali per lo sviluppo di dispositivi elettronici e optoelettronici ultrasottili, ad alta velocità ed efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, molti dei processi di sintesi dei materiali e di fabbricazione dei dispositivi esistenti utilizzati per i semiconduttori 2D introducono inevitabilmente difetti superficiali, in particolare posti vacanti con legami penzolanti. Questi difetti spesso agiscono come pozzi indesiderati per portatori di carica e centri di ricombinazione non radiativi di coppie elettrone-lacuna fotoeccitate, limitando le prestazioni del dispositivo. Pertanto, un'efficace passivazione di queste superfici libere nei materiali semiconduttori 2D ad alta mobilità è fondamentale per mantenere le loro caratteristiche del dispositivo ad alte prestazioni. BP è un tipo di materiale 2D ad alta mobilità con numerosi usi in applicazioni optoelettroniche e fotovoltaiche. Poiché comprende un singolo elemento, mostra comportamenti di passivazione dei difetti unici che sono diversi dagli altri semiconduttori 2D costituiti da due o più elementi (ad esempio, calcogenuri metallici).

Un gruppo di ricerca guidato dal Professore Associato Jiong LU del Dipartimento di Chimica dell'Università Nazionale di Singapore ha utilizzato sia le tecniche di microscopia a effetto tunnel (STM) che di microscopia a forza atomica senza contatto (nc-AFM) per dimostrare che la ricostruzione locale e la ionizzazione di un la vacanza singola (SV) sulla superficie del BP lo rende carico negativamente, portando alla passivazione dei legami penzolanti associati e rendendo l'SV elettricamente inattivo. Questo meccanismo di autopassivazione può essere attivato da una ricottura termica blanda o dalla manipolazione della punta STM (vedi Figura a-d) e si basa sulla formazione di un tipo speciale di legame chimico nel sito del difetto, noto come legame ipervalente omo-elementale (vedi Figura b). Questo lavoro è svolto in collaborazione con il gruppo di ricerca del Professore Assistente Aleksandr RODIN del Collegio Yale-NUS e il Professor Pavel Jelínek dell'Istituto di Fisica dell'Accademia delle Scienze ceca.

Nello studio pubblicato in Physical Review Letters , il team di ricerca ha valutato l'impatto di questo effetto di autopassivazione dell'SV sulle prestazioni di mobilità del vettore misurando un dispositivo FET (field-effect transistor) in BP. Hanno confrontato la struttura elettronica locale e il comportamento di scattering prima e dopo l'autopassivazione nel sito del difetto. I ricercatori hanno osservato un aumento della mobilità dei fori fino al 43% dopo l'attivazione del meccanismo di autopassivazione, portando a un miglioramento delle prestazioni del dispositivo FET. Ciò è probabilmente dovuto all'inattivazione dei legami penzolanti nel sito del difetto e all'estinzione dei suoi stati elettronici in-gap associati.

Le strategie sviluppate nell'industria dei semiconduttori, tra cui la funzionalizzazione chimica e il rivestimento superficiale, sono state sfruttate per la passivazione delle superfici libere nei semiconduttori 2D per rimuovere gli stati elettronici in-gap dannosi associati. Tuttavia, la maggior parte degli schemi di passivazione sviluppati fino ad oggi migliorano principalmente la resa quantistica della fotoluminescenza senza un miglioramento significativo delle proprietà di trasporto della carica. Alcuni addirittura degradano le prestazioni elettroniche alterando la struttura molecolare (van der Waals).

Il Prof. Lu ha affermato:"In contrasto con questi metodi convenzionali, il nuovo schema di passivazione riportato può rappresentare una strategia di passivazione superficiale ideale, che può disattivare selettivamente solo gli stati di difetto senza lasciare un cambiamento permanente del reticolo cristallino e un degrado delle prestazioni elettroniche. Il nostro lavoro apre una nuova strada per l'autopassivazione elettronica dei difetti, cruciale per l'ulteriore ottimizzazione della mobilità del vettore in BP e suoi analoghi". + Esplora ulteriormente

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