单层二硫化钼中链状硫空位的形成及其电子结构

在传统的硅基半导体工业中,缺陷的存在极大地影响着半导体的电学性质,因此缺陷工程在半导体工业中具有非常重要的意义。随着以石墨烯为代表的二维材料的兴起,单层过渡金属二硫族化合物作为二维半导体材料引起了大家的广泛关注。与传统的半导体材料(如Si,GaAs等)相似,单层二硫化钼(MoS2)是直接带隙的半导体,本征带隙为1.8 ~ 1.9 eV。此外,单层MoS2具有非常优异的光学、电学特性,以及高的催化活性,在未来纳电子学、光电子学和能源催化领域具有巨大的应用潜力。单层MoS2中存在各种缺陷类型,包括点缺陷(空位和替代),位错和晶界等,这些缺陷会改变单层MoS2的电学性质,也有可能诱导出现铁磁性等新奇的物理现象。然而,在实际应用中,缺陷的存在会导致单层MoS2的电学性能下降(迁移率降低等),并且不同类型的缺陷共存可能会使单层MoS2变成补偿半导体。因此,准确地识别单层MoS2的不同缺陷类型,可控的调制缺陷浓度,进而调控单层MoS2的能带结构和电学性质对于相关应用研究具有非常重要的意义。

二硫化钼中硫空位的产生示意图及其典型STM图像

目前,人们利用高分辨扫描透射电子显微镜(STEM)获得了单层MoS2的高分辨图像,识别了空位,替代和晶界等缺陷类型。然而为了实现STEM表征,需要将MoS2从生长基底转移到STEM微栅上进行成像,高能的电子束轰击也会诱导缺陷的产生。相比之下,超高真空体系中的扫描隧道显微镜/隧道谱(STM/STS)不仅可以实现在位的原子尺度形貌研究,还可以获得不同缺陷类型诱导的电子结构的演化,为材料的后续应用研究提供最为直观的实验依据。基于此,北京大学刘忠范院士、张艳锋研究员课题组报道了单层MoS2中不同类型硫空位的产生机制,利用STM/STS技术研究了不同缺陷类型对于单层MoS2能带结构的调控作用。他们采用了导电的金箔作为基底,通过在Au基底和单层MoS2之间引入单层石墨烯来削弱界面的耦合作用,从而获得了本征的单层MoS2的形貌和局域电子结构。研究发现,随着样品退火温度的提升(400至900 K),S空位的密度逐渐增大,且S空位会聚集形成链状结构(S2, S3, S4等)。STS测量表明,S空位的产生会在导带底诱导形成新的电子态并导致带隙的变小(400 K退火后:2.2 eV; 900 K退火后: 1.8 eV),同时对单层MoS2产生n-型掺杂效应。结合数据统计和理论计算发现,单S空位与链状S空位结构中S的化学势几乎一致(-6.87 eV ~ -6.5 eV),说明不同类型缺陷的浓度严格遵守热力学统计规律,温度是缺陷产生的唯一诱导因素。这一工作对理解单层MoS2中缺陷的产生和调控机制,以及其对于局域电子结构的调控作用提供了最为直观的实验依据和理论分析,也为未来单层半导体性二硫族化合物在电子学器件中的应用提供参考。相关工作在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201602967)上。