Les scientifiques du NUS ont découvert qu’un matériau semi-conducteur bidimensionnel (2D), connu sous le nom de phosphore noir (BP), présente un phénomène d’auto-passivation électronique en réarrangeant ses défauts de vacance. Cela peut potentiellement améliorer la mobilité de charge du matériau et de ses analogues.
Les semi-conducteurs 2D à haute mobilité des porteurs sont essentiels pour le développement de dispositifs électroniques et optoélectroniques ultra-minces, rapides et économes en énergie. Cependant, de nombreux processus de synthèse de matériaux et de fabrication de dispositifs existants utilisés pour les semi-conducteurs 2D introduisent inévitablement des défauts de surface, en particulier des lacunes avec des liaisons pendantes. Ces défauts agissent souvent comme des puits indésirables pour les porteurs de charge et les centres de recombinaison non radiatifs des paires électron-trou photoexcitées, limitant les performances du dispositif. Par conséquent, une passivation efficace de ces lacunes de surface dans les matériaux semi-conducteurs 2D à haute mobilité est essentielle pour maintenir leurs caractéristiques de dispositif hautes performances. BP est un type de matériau 2D à haute mobilité avec de nombreuses utilisations dans les applications optoélectroniques et photovoltaïques. Comme il comprend un seul élément, il présente des comportements de passivation par défaut uniques qui sont différents des autres semi-conducteurs 2D constitués de deux éléments ou plus (par exemple, les chalcogénures métalliques).
Une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Jiong LU du Département de chimie de l’Université nationale de Singapour a utilisé à la fois des techniques de microscopie à effet tunnel (STM) et de microscopie à force atomique sans contact (nc-AFM) pour montrer que la reconstruction et l’ionisation locales d’un une seule lacune (SV) à la surface du BP le rend chargé négativement, conduisant à la passivation des liaisons pendantes associées et rendant le SV électriquement inactif. Ce mécanisme d’auto-passivation peut être déclenché par un recuit thermique doux ou par une manipulation de la pointe STM (voir la figure ad) et il repose sur la formation d’un type spécial de liaison chimique au site du défaut, connue sous le nom de liaison hypervalente homo-élémentaire (voir la figure b). Ce travail est réalisé en collaboration avec le groupe de recherche du professeur adjoint Aleksandr RODIN du Yale-NUS College et le professeur Pavel Jelínek de l’Institut de physique de l’Académie tchèque des sciences.
Dans l’étude publiée dans Lettres d’examen physique, l’équipe de recherche a évalué l’impact de cet effet d’auto-passivation du SV sur les performances de mobilité des porteurs en mesurant un dispositif à transistor à effet de champ (FET) en BP. Ils ont comparé la structure électronique locale et le comportement de diffusion avant et après l’auto-passivation au site du défaut. Les chercheurs ont observé une augmentation de la mobilité des trous pouvant atteindre 43 % après le déclenchement du mécanisme d’auto-passivation, ce qui a entraîné une amélioration des performances du dispositif FET. Cela est probablement dû à l’inactivation des liaisons pendantes au site du défaut et à l’extinction de ses états électroniques associés dans l’espace.
Les stratégies développées dans l’industrie des semi-conducteurs, y compris la fonctionnalisation chimique et le revêtement de surface, ont été exploitées pour la passivation des lacunes de surface dans les semi-conducteurs 2D afin d’éliminer les états électroniques dans l’espace nuisibles associés. Cependant, la plupart des schémas de passivation développés à ce jour améliorent principalement le rendement quantique de photoluminescence sans amélioration significative des propriétés de transport de charge. Certains dégradent même les performances électroniques en altérant la structure moléculaire (van der Waals).
Le professeur Lu a déclaré : « Contrairement à ces méthodes conventionnelles, le nouveau schéma de passivation rapporté peut représenter une stratégie de passivation de surface idéale, qui peut désactiver de manière sélective uniquement les états de défaut sans laisser un changement permanent du réseau cristallin et une dégradation des performances électroniques. Notre travail ouvre une nouvelle voie pour l’auto-passivation électronique des défauts, cruciale pour la poursuite de l’optimisation de la mobilité des porteurs dans BP et ses analogues. »
Hanyan Fang et al, Auto-passivation électronique d’une seule lacune dans le phosphore noir via ionisation, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.176801