加入一個(gè)碳原子，就可以轉(zhuǎn)變二維半導(dǎo)體材料！賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員稱，一種將碳-氫分子引入半導(dǎo)體材料二硫化鎢的單個(gè)原子層技術(shù)，極大地改變了這種材料的電子特性。可以用這種材料為節(jié)能光電設(shè)備和電子電路制造新型元件。論文的第一作者材料科學(xué)與工程博士生張福(音譯)說：我們已經(jīng)成功地將碳元素引入半導(dǎo)體材料的單層中，其研究2019年5月24日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(scienceAdvances上。

在加入碳原子之前，半導(dǎo)體是一種過渡金屬二鹵代烴(TMD)，是n型電子導(dǎo)電體。用碳原子代替硫原子后，這種單原子厚的材料產(chǎn)生了雙極效應(yīng)、p型空穴支和n型支。這就產(chǎn)生了雙極性半導(dǎo)體。毛里西奧·特隆斯(MauricioTerrones)是一名資深作家，也是物理、化學(xué)和材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的杰出教授。一旦材料被高度摻雜碳，研究人員就能產(chǎn)生具有很高載流子遷移率的簡并p型。可以制造出n+/p/n+和p+/n/p+結(jié)，它們具有這種半導(dǎo)體所沒有的特性，在應(yīng)用方面，半導(dǎo)體被用于工業(yè)中的各種設(shè)備。

等離子體輔助碳?xì)浠衔飺诫s在WS2晶格中的示意圖。圖片：FuZhang/PennState在這種情況下，這些設(shè)備中的大多數(shù)將是不同種類的晶體管，筆記本電腦里大約有100萬億個(gè)晶體管。這種材料也可能對電化學(xué)催化有好處，可以提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，同時(shí)又具有催化活性。由于二維材料摻雜需要在特定的條件下同時(shí)進(jìn)行多個(gè)過程，因此在二維材料摻雜領(lǐng)域的研究較少。該團(tuán)隊(duì)技術(shù)使用等離子體將甲烷裂解的溫度降低到752華氏度。與此同時(shí)，等離子體必須足夠強(qiáng)大，能夠把硫原子從原子層中撞出來，并取代一個(gè)碳?xì)鋯挝弧Ｒ蜷_單層膜并不容易，然后測量載體的傳輸也不是件小事。

材料科學(xué)與工程系教授兼系主任SusanSinnott提供了指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)工作的理論計(jì)算。當(dāng)Terrones和Zhang觀察到摻雜這種二維材料正在改變它的光學(xué)和電子特性時(shí)，sinnott團(tuán)隊(duì)預(yù)測了最佳摻雜原子并預(yù)測了其特性，這與實(shí)驗(yàn)相符。測量了不同晶體管中碳取代量不斷增加時(shí)的載流子輸運(yùn)，觀察電導(dǎo)的根本變化，直到完全改變了傳導(dǎo)類型從負(fù)到正。化學(xué)摻雜是改變二維過渡金屬雙鹵代烷(2D-TMDs)電子、化學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的有效途徑。研究采用等離子體輔助方法將碳-氫(CH)單元引入WS2單分子層。

發(fā)現(xiàn)ch-基團(tuán)是將碳引入WS2的最穩(wěn)定摻雜劑，這使得光致發(fā)光光譜顯示的能帶隙從1.98eV降低到1.83eV。像差校正高分辨率掃描透射電鏡(AC-HRSTEM)結(jié)合第一原理計(jì)算的觀察結(jié)果證實(shí)，ch基團(tuán)合并到WS2中的S空位中。根據(jù)電子傳輸測量，未摻雜的WS2表現(xiàn)出單極n型傳導(dǎo)。然而，隨著碳摻雜水平的增加，CH-WS2單分子層出現(xiàn)了p分支，并逐漸完全變成p型。因此，嵌入到WS2晶格中的ch基團(tuán)可以調(diào)整其電子和光學(xué)特性，該方法可用于其他2D-TMDs器件的高效集成。