Small:“拈颗原子补天缺”——二维材料本征空位缺陷的快速修补术

人类的生活越来越离不开电脑、电视、手机等电子设备,但是这些设备的核心部件芯片正在面临着性能极限的逼近。如果把芯片比作一栋大厦,晶体管就是建楼用的一块块砖头,一栋栋大厦就构成了我们的信息化时代。硅是传统的半导体材料,不断缩小晶体管尺寸以提升芯片的性能,然摩尔定律将到达终点,即硅材料的晶体管尺寸无法再缩小,芯片的性能也接近物理极限。因此,科学家一直在寻找能代替当前硅芯片的材料,二维材料由于其独特的光学和电学等物理特性被认为是最有潜力替代硅材料的下一代电子材料,在这些二维材料中,过渡金属硫化物(MoS2,WS2)是当今材料学和电子学研究的热点。然而,在生长或者转移过程中难以避免的硫空位的产生,不仅会成为载流子散射中心, 而且还会严重影响金属电极与二维材料的接触界面,最终影响器件的传输性能

近日,山东大学韩琳、刘宏课题组与中科院物理所谷林课题组合作提出了一种简单、有效的使用氮等离子体修复过渡金属硫化物(TMDs)中本征硫空位的方法,并利用高分辨率的球差校正透射扫描电子显微镜(STEM,JOOL AEM200F)证实了硫空位的存在和硫空位的氮等离子体有效修复,通过质心拟合的方式计算出修复后的空位密度降低了4倍。更重要的是,氮等离子体修复的二硫化钨(WS2)场效应晶体管(FET)展现了优异的电学特性,与修补前的二硫化钨器件相比,场效应电子迁移率达到184.2 cm2/Vs,提高了6.2倍。最令人兴奋的是等离子体修复后的器件表现出极好的金属-二维材料接触状况,线性区的开态电流提高了一个数量级。 为了进一步解释氮等离子体掺杂的物理机制,利用第一性原理模拟计算了WS2氮原子修复前后的电子能带结构,随着硫空位的修复,有效电子质量逐渐降低(0.85me-0.83me),载流子迁移率逐渐上升,仿真结果为实验现象提供了有力的理论支持。

研究者相信,该研究将会为高性能二维材料场效应晶体管的研究打开一扇窗,为二维材料的本征缺陷修复提供新思路。相关论文以“A Facile and Effective Method for Patching Sulfur Vacancies of WS2 via Nitrogen Plasma Treatment”为题在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201901791)上,并于当期Back Cover做简要介绍。