Los científicos de NUS descubrieron que un material semiconductor bidimensional (2D), conocido como fósforo negro (BP), exhibe un fenómeno de autopasivación electrónica al reorganizar sus defectos vacantes. Esto puede mejorar potencialmente la movilidad de carga del material y sus análogos.

Semiconductores 2D con alta movilidad del portador son esenciales para el desarrollo de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos ultrafinos, de alta velocidad y energéticamente eficientes. Sin embargo, muchos de los procesos de fabricación de dispositivos y síntesis de materiales existentes utilizados para semiconductores 2D inevitablemente introducen defectos en la superficie, en particular vacantes con enlaces colgantes. Estos defectos a menudo actúan como sumideros indeseables para portadores de carga y centros de recombinación no radiativa de pares de huecos de electrones fotoexcitados, lo que limita el rendimiento del dispositivo. Por lo tanto, eficaz pasivación de estas vacantes superficiales en materiales semiconductores 2D de alta movilidad es vital para mantener sus características de dispositivo de alto rendimiento. BP es un tipo de material 2D de alta movilidad con numerosos usos en aplicaciones optoelectrónicas y fotovoltaicas. Como se compone de un solo elemento, muestra comportamientos de pasivación de defectos únicos que son diferentes de otros semiconductores 2D hechos de dos o más elementos (por ejemplo, calcogenuros metálicos).

Un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Jiong LU del Departamento de Química de la Universidad Nacional de Singapur utilizó microscopía de túnel de barrido (STM) y sin contacto Fuerza atómica microscópica (nc-AFM) para mostrar que la reconstrucción local y la ionización de una sola vacante (SV) en la superficie del BP lo carga negativamente, lo que lleva a la pasivación de los enlaces colgantes asociados y vuelve al SV eléctricamente inactivo. Este mecanismo de autopasivación puede desencadenarse mediante un recocido térmico suave o mediante la manipulación de la punta del STM (consulte la Figura ad) y se basa en la formación de un tipo especial de enlace químico en el sitio del defecto, conocido como enlace hipervalente homoelemental (consulte la Figura b). Este trabajo se realiza en colaboración con el grupo de investigación del Profesor Asistente Aleksandr RODIN del Yale-NUS College y el Profesor Pavel Jelínek del Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias.

En el estudio publicado en Physical Review Letters, el equipo de investigación evaluó el impacto de este efecto de autopasivación del SV en el desempeño de la movilidad del portador midiendo un Transistor de efecto de campo (FET) dispositivo hecho de BP. Compararon la estructura electrónica local y el comportamiento de dispersión antes y después de la autopasivación en el sitio del defecto. Los investigadores observaron un aumento en la movilidad del agujero de hasta un 43 % después de que se activa el mecanismo de autopasivación, lo que lleva a una mejora en el rendimiento del dispositivo FET. Esto probablemente se deba a la inactivación de los enlaces colgantes en el sitio del defecto y la extinción de sus estados electrónicos en el espacio asociados.

estrategias desarrolladas en el la industria de semiconductores, incluida la funcionalización química y el recubrimiento de superficies, se han aprovechado para la pasivación de las vacantes superficiales en semiconductores 2D para eliminar los estados electrónicos perjudiciales asociados en el espacio libre. Sin embargo, la mayoría de los esquemas de pasivación desarrollados hasta la fecha mejoran principalmente el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia sin una mejora significativa en las propiedades de transporte de carga. Algunos incluso degradan el rendimiento electrónico al alterar la estructura molecular (van der Waals).

El profesor Lu dijo: “En contraste con estos métodos convencionales, el nuevo esquema de pasivación informado puede representar una estrategia de pasivación de superficie ideal, que puede desactivar selectivamente solo los estados defectuosos sin dejar un cambio permanente en la red cristalina y la degradación del rendimiento electrónico. Nuestro trabajo abre una nueva ruta para la autopasivación electrónica de defectos, crucial para una mayor optimización de la movilidad de los portadores en BP y sus análogos”.