Los químicos de NUS han descubierto que los estados ligados de "agujeros" (la ausencia de un electrón que conduce a una carga neta positiva) en el fósforo negro cambia de una elipse extendida a una forma de mancuerna cuando se excita eléctricamente, proporcionando nuevos conocimientos para su uso en dispositivos electrónicos de próxima generación.

Fósforo, un elemento altamente reactivo, puede existir en una forma cristalina estable conocida como fósforo negro (BP). BP está emergiendo como un potencial material bidimensional (2D) para el desarrollo de una nueva generación de dispositivos electrónicos con transistores más rápidos que los actuales. Esto se debe a su capacidad para tener una banda prohibida directa sintonizable (para actuar como un interruptor), alta movilidad del portador (para transportar cargas a alta velocidad) y excelentes propiedades anisotrópicas en el plano (para controlar las propiedades conductoras a lo largo de una orientación de cristal específica).

Dado que los defectos e impurezas nativos introducidos durante la síntesis y el procesamiento de BP afectan las propiedades del material y las características del dispositivo, Es importante tener una mejor comprensión de estos efectos a nivel atómico, para desarrollar dispositivos con mejor rendimiento.

Un equipo dirigido por el profesor LU Jiong del Departamento de Química, NUS ha descubierto que cuando BP pasa de un estado fundamental no excitado a un estado excitado, la forma espacial de sus estados de agujero enlazados evoluciona de una forma elíptica extendida a una forma de mancuerna. Un estado ligado se refiere a la tendencia de una partícula a permanecer localizada en una región específica cuando se somete a un campo potencial. En BP, cada agujero interactúa y orbita alrededor del núcleo cargado negativamente, formando estados de agujero ligado. Esto es análogo al modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno, en el que el único electrón rodea el núcleo atómico. El equipo hizo este descubrimiento utilizando microscopía de túnel de barrido a baja temperatura (STM), una técnica de imágenes de resolución atómica, y lo hizo funcionar a 4,5 kelvin para sondear la superficie del material. A tan baja temperatura, la punta STM se puede colocar sobre defectos individuales con una deriva ultrabaja que se requiere para obtener mediciones estables. Sus hallazgos proporcionan una imagen genérica de la estructura espacial y las propiedades electrónicas de los estados ligados cerca de los dopantes superficiales (que requieren poca energía para producir portadores libres) en BP.

El profesor Lu dijo:"El estado de agujero enlazado no excitado (1s) exhibe una forma elíptica anisotrópica, en marcado contraste con la forma orbital simétrica 1s del átomo de hidrógeno. La forma espacial es el resultado de que los estados de los agujeros ligados se extienden fuertemente a lo largo de una orientación de cristal mientras se comprimen a lo largo de otra orientación de cristal. Nuestro estudio captura directamente los comportamientos anisotrópicos de los portadores de agujeros individuales en BP, ofreciendo conocimientos atómicos sin precedentes sobre la anisotropía de transporte de alta movilidad de los transistores BP ".

"También demostramos que el estado de carga de los aceptores individuales se puede cambiar de forma reversible utilizando la punta STM. La capacidad de manipular los estados de carga de los dopantes individuales puede permitir la realización de un qubit basado en la carga y un mayor desarrollo de los dispositivos cuánticos". "añadió el profesor Lu.