Elektronische zelfpassivering van een enkele vacature in zwarte fosfor

Fysieke kenmerken van de zelfgepassiveerde enkele vacature (SV). (a) STM-beeld met hoge resolutie van de zelf-gepassiveerde SV die laat zien dat het een vlindervormig kenmerk aanneemt dat zich uitstrekt over twee van zijn naaste buren. (b) Atomaire structuur van de zelfgepassiveerde SV met gelabelde kristallografische richtingen en het bijbehorende zijaanzicht (onderste paneel). De gele (violette) atomen geven de fosfor (P) atomen aan in de bovenste (onderste) sublagen. (c) Atom-opgelost nc-AFM-beeld van de zelf-gepassiveerde SV, waaruit duidelijk blijkt dat één P-atoom is verwijderd. ( d ) Gesimuleerd nc-AFM-beeld van de zelfgepassiveerde SV die overeenstemming toont met experimentele resultaten. Credit: Fysieke beoordelingsbrieven (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.176801

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 fabricageprocessen voor apparaten 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 passivatiegedrag van 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 uitgloeiing of door manipulatie van de STM-tip (zie afbeelding ad) 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 afbeelding). 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 Fysieke beoordelingsbrieven, 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 benut 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. Sommigen degraderen zelfs de elektronische prestaties door de moleculaire (van der Waals) structuur te veranderen.

Prof. Lu zei: “In tegenstelling tot deze conventionele methoden, kan het gerapporteerde nieuwe passiveringsschema een ideale strategie voor oppervlaktepassivering zijn, die selectief alleen de defecte toestanden kan deactiveren zonder een permanente kristalroosterverandering en verslechtering van de elektronische prestaties achter te laten. Ons werk opent een nieuwe route voor elektronische zelfpassivering van defecten, cruciaal voor de verdere optimalisatie van de vervoerdermobiliteit in BP en zijn analogen.”