p Os químicos do NUS descobriram que os estados ligados de "buracos" (a ausência de um elétron que leva a uma carga líquida positiva) no fósforo preto muda de uma elipse estendida para a forma de haltere quando é eletricamente excitado, fornecendo novos insights para seu uso em dispositivos eletrônicos de última geração. p Fósforo, um elemento altamente reativo, pode existir em uma forma cristalina estável conhecida como fósforo negro (BP). BP está emergindo como um potencial material bidimensional (2D) para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos eletrônicos com transistores mais rápidos do que os de hoje. Isso se deve à sua capacidade de ter um bandgap direto sintonizável (para atuar como um interruptor), alta mobilidade de portadores (para carregar cargas em alta velocidade) e excelentes propriedades anisotrópicas no plano (para controlar propriedades de condução ao longo de uma orientação de cristal específica).

p Como os defeitos e impurezas nativos introduzidos durante a síntese e processamento de BP afetam suas propriedades materiais e características do dispositivo, é importante ter uma melhor compreensão desses efeitos no nível atômico, para desenvolver dispositivos com melhor desempenho.

p Uma equipe liderada pelo Prof LU Jiong do Departamento de Química, A NUS descobriu que quando a BP vai de um estado fundamental não excitado para um estado excitado, a forma espacial de seus estados de orifícios limitados evolui de uma forma elíptica estendida para uma forma de haltere. Um estado ligado refere-se à tendência de uma partícula de permanecer localizada em uma região específica quando submetida a um campo potencial. Na BP, cada buraco interage e orbita em torno do núcleo carregado negativamente, formando estados de orifícios limitados. Isso é análogo ao modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio, em que o único elétron circunda o núcleo atômico. A equipe fez essa descoberta usando microscopia de tunelamento de varredura de baixa temperatura (STM), uma técnica de imagem de resolução atômica, e operou a 4,5 kelvin para sondar a superfície do material. Em temperatura tão baixa, a ponta do STM pode ser posicionada sobre defeitos individuais com um desvio ultrabaixo que é necessário para obter medições estáveis. Suas descobertas fornecem uma imagem genérica da estrutura espacial e propriedades eletrônicas de estados ligados perto de dopantes rasos (que requerem pouca energia para produzir portadores livres) em BP.

p Prof Lu disse, "O estado de buraco ligado não excitado (1s) exibe uma forma elíptica anisotrópica, em nítido contraste com a forma orbital simétrica 1s do átomo de hidrogênio. A forma espacial é o resultado dos estados de orifícios ligados sendo fortemente estendidos ao longo de uma orientação de cristal enquanto são comprimidos ao longo de outra orientação de cristal. Nosso estudo captura diretamente os comportamentos anisotrópicos de portadores de orifícios individuais no BP, oferecendo insights atômicos sem precedentes em anisotropia de transporte de alta mobilidade de transistores BP ".

p "Também demonstramos que o estado de carga de aceitadores individuais pode ser comutado reversivelmente usando a ponta STM. A capacidade de manipular os estados de carga de dopantes individuais pode permitir a realização de um qubit baseado em carga e o desenvolvimento de dispositivos quânticos, "acrescentou o Prof Lu.