5月27日消息，新加坡国立大学的科学家发现，一种称为黑磷 (BP) 的二维 (2D) 半导体材料通过重新排列其空位缺陷而表现出电子自钝化现象，这可能会潜在地增强材料及其类似物的电荷迁移率。

具有高载流子迁移率的二维半导体对于开发超薄、高速和节能的电子和光电子器件至关重要。然而，许多用于二维半导体的现有材料合成和器件制造工艺不可避免地会引入表面缺陷，尤其是具有悬空键的空位。这些缺陷通常充当电荷载流子和光激发电子-空穴对的非辐射复合中心的不良汇，从而限制了器件性能。因此，有效的钝化高迁移率二维半导体材料中的这些表面空位对于保持其高性能器件特性至关重要。BP 是一种高迁移率二维材料，在光电和光伏应用中具有多种用途。由于它包含单一元素，因此它表现出独特的缺陷钝化行为，这与其他由两种或多种元素（例如金属硫属化物）制成的二维半导体不同。

自钝化单空位 (SV) 的物理特性。(a) 自钝化 SV 的高分辨率 STM 图像显示它采用跨越其两个最近邻居的蝴蝶形特征。(b) 自钝化 SV 的原子结构，带有标记的晶体方向和相应的侧视图（下图）。黄色（紫色）原子表示顶部（底部）子层的磷（P）原子。(c) 自钝化 SV 的原子分辨 nc-AFM 图像，清楚地显示一个 P 原子已被去除。(d) 自钝化 SV 的模拟 nc-AFM 图像显示与实验结果一致。图片来源：物理评论快报（2022 年）。

由新加坡国立大学化学系卢炯副教授领导的研究小组同时使用了扫描隧道显微镜 (STM) 和非接触式原子力显微镜(nc-AFM) 技术表明 BP 表面上单个空位 (SV) 的局部重建和电离使其带负电，导致相关悬空键的钝化并使 SV 电失活。这种自钝化机制可以通过温和的热退火或 STM 尖端操作来触发（见图 ad），它依赖于在缺陷部位形成一种特殊类型的化学键，称为同质元素高。这项工作是与耶鲁-新加坡国立大学学院助理教授 Aleksandr RODIN 的研究小组和捷克科学院物理研究所的 Pavel Jelínek 教授合作完成的。

在《物理评论快报》上发表的研究中，研究小组通过测量由 BP 制成的场效应晶体管(FET) 器件，评估了 SV 的这种自钝化效应对载流子迁移率性能的影响。他们比较了缺陷部位自钝化前后的局部电子结构和散射行为。研究人员观察到，在触发自钝化机制后，空穴迁移率增加了高达 43%，从而提高了 FET 器件的性能。这可能是由于缺陷位点的悬空键失活及其相关的带隙内电子态的猝灭。

半导体行业开发的策略，包括化学功能化和表面涂层，已被用于钝化 2D 半导体中的表面空位，以消除相关的有害间隙电子态。然而，迄今为止开发的大多数钝化方案主要提高光致发光量子产率，而没有显着增强电荷传输特性。有些甚至通过改变分子（范德华）结构来降低电子性能。

卢教授说：“与这些传统方法相比，报道的新钝化方案可能代表了一种理想的表面钝化策略，它可以选择性地只去激活缺陷状态，而不会留下永久性的晶格变化和电子性能的退化。我们的工作为缺陷的电子自钝化开辟了一条新途径，这对于进一步优化 BP 及其类似物中的载流子迁移率至关重要。”