加入一个碳原子

加入一个碳原子,就可以转变二维半导体材料!宾夕法尼亚州立大学研究人员称,一种将碳-氢分子引入半导体材料二硫化钨的单个原子层技术,极大地改变了这种材料的电子特性。可以用这种材料为节能光电设备和电子电路制造新型元件。论文的第一作者材料科学与工程博士生张福说:我们已经成功地将碳元素引入半导体材料的单层中,其研究2019年5月24日发表在《科学进展》(science
Advances上。

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在加入碳原子之前,半导体是一种过渡金属二卤代烃,是n型电子导电体。用碳原子代替硫原子后,这种单原子厚的材料产生了双极效应、p型空穴支和n型支。这就产生了双极性半导体。毛里西奥·特隆斯(Mauricio
Terrones)是一名资深作家,也是物理、化学和材料科学与工程领域的杰出教授。一旦材料被高度掺杂碳,研究人员就能产生具有很高载流子迁移率的简并p型。可以制造出n+/p/n+和p+/n/p+结,它们具有这种半导体所没有的特性,在应用方面,半导体被用于工业中的各种设备。

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等离子体辅助碳氢化合物掺杂在WS2晶格中的示意图。图片:Fu Zhang/Penn State

在这种情况下,这些设备中的大多数将是不同种类的晶体管,笔记本电脑里大约有100万亿个晶体管。这种材料也可能对电化学催化有好处,可以提高半导体的导电性,同时又具有催化活性。由于二维材料掺杂需要在特定的条件下同时进行多个过程,因此在二维材料掺杂领域的研究较少。该团队技术使用等离子体将甲烷裂解的温度降低到752华氏度。与此同时,等离子体必须足够强大,能够把硫原子从原子层中撞出来,并取代一个碳氢单位。要打开单层膜并不容易,然后测量载体的传输也不是件小事。

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材料科学与工程系教授兼系主任Susan
Sinnott提供了指导实验工作的理论计算。当Terrones和Zhang观察到掺杂这种二维材料正在改变它的光学和电子特性时,sinnott团队预测了最佳掺杂原子并预测了其特性,这与实验相符。测量了不同晶体管中碳取代量不断增加时的载流子输运,观察电导的根本变化,直到完全改变了传导类型从负到正。化学掺杂是改变二维过渡金属双卤代烷电子、化学和光学性质的有效途径。研究采用等离子体辅助方法将碳-氢单元引入WS2单分子层。

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发现ch
-基团是将碳引入WS2的最稳定掺杂剂,这使得光致发光光谱显示的能带隙从1.98
eV降低到1.83
eV。像差校正高分辨率扫描透射电镜(AC-HRSTEM)结合第一原理计算的观察结果证实,ch基团合并到WS2中的S空位中。根据电子传输测量,未掺杂的WS2表现出单极n型传导。然而,随着碳掺杂水平的增加,CH-WS2单分子层出现了p分支,并逐渐完全变成p型。因此,嵌入到WS2晶格中的ch基团可以调整其电子和光学特性,该方法可用于其他2D-TMDs器件的高效集成。

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博科园|研究/来自:宾夕法尼亚州立大学

参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.aav5003

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