Os cientistas da NUS descobriram que um material semicondutor bidimensional (2D), conhecido como fósforo preto (BP), exibe um fenômeno de autopassivação eletrônica ao reorganizar seus defeitos de vacância. Isso pode potencialmente aumentar a mobilidade de carga do material e seus análogos.
Semicondutores 2D com alta mobilidade de portadora são essenciais para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos ultrafinos, de alta velocidade e com eficiência energética. No entanto, muitos dos processos existentes de síntese de materiais e fabricação de dispositivos usados ​​para semicondutores 2D inevitavelmente introduzem defeitos de superfície, particularmente vacâncias com ligações pendentes. Esses defeitos geralmente agem como sumidouros indesejáveis ​​para portadores de carga e centros de recombinação não radiativos de pares elétron-buraco fotoexcitados, limitando o desempenho do dispositivo. Portanto, a passivação eficaz dessas lacunas de superfície em materiais semicondutores 2D de alta mobilidade é vital para manter suas características de dispositivo de alto desempenho. O BP é um tipo de material 2D de alta mobilidade com inúmeros usos em aplicações optoeletrônicas e fotovoltaicas. Como é composto por um único elemento, apresenta comportamentos únicos de passivação de defeitos que são diferentes de outros semicondutores 2D feitos de dois ou mais elementos (por exemplo, calcogenetos metálicos).

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor associado Jiong LU do Departamento de Química da Universidade Nacional de Cingapura usou técnicas de microscopia de tunelamento de varredura (STM) e microscopia de força atômica sem contato (nc-AFM) para mostrar que a reconstrução local e ionização de um uma única vacância (SV) na superfície do BP o torna carregado negativamente, levando à passivação das ligações pendentes associadas e tornando o SV eletricamente inativo. Esse mecanismo de autopassivação pode ser desencadeado por um leve aquecimento térmico ou pela manipulação da ponta STM (veja a Figura a-d) e depende da formação de um tipo especial de ligação química no local do defeito, conhecida como ligação hipervalente homoelemental (veja a Figura b). Este trabalho é realizado em colaboração com o grupo de pesquisa do Professor Assistente Aleksandr RODIN do Yale-NUS College e o Professor Pavel Jelínek do Instituto de Física da Academia Tcheca de Ciências.

No estudo publicado em Physical Review Letters , a equipe de pesquisa avaliou o impacto desse efeito de autopassivação do SV no desempenho da mobilidade da portadora medindo um dispositivo de transistor de efeito de campo (FET) feito de BP. Eles compararam a estrutura eletrônica local e o comportamento de espalhamento antes e depois da autopassivação no local do defeito. Os pesquisadores observaram um aumento na mobilidade do buraco de até 43% após o mecanismo de autopassivação ser acionado, levando à melhora no desempenho do dispositivo FET. Isso provavelmente se deve à inativação das ligações pendentes no local do defeito e à extinção de seus estados eletrônicos associados no intervalo.

Estratégias desenvolvidas na indústria de semicondutores, incluindo funcionalização química e revestimento de superfície, foram exploradas para a passivação de vacâncias de superfície em semicondutores 2D para remover os estados eletrônicos prejudiciais associados à lacuna. No entanto, a maioria dos esquemas de passivação desenvolvidos até o momento melhoram principalmente o rendimento quântico de fotoluminescência sem aumento significativo nas propriedades de transporte de carga. Alguns até degradam o desempenho eletrônico alterando a estrutura molecular (van der Waals).

O Prof. Lu disse:"Em contraste com esses métodos convencionais, o novo esquema de passivação relatado pode representar uma estratégia ideal de passivação de superfície, que pode desativar seletivamente apenas os estados de defeito sem deixar uma mudança permanente na rede cristalina e degradação do desempenho eletrônico. Nosso trabalho abre uma nova rota para a autopassivação eletrônica de defeitos, crucial para a otimização da mobilidade da transportadora na BP e seus análogos." + Explorar mais

Preenchendo defeitos que prejudicam o desempenho que prejudicam o desempenho da perovskita