Small:双添加剂化学气相沉积法生长锰掺杂二维二硫化钼

在半导体工业中,掺杂是改变材料和器件性能的重要策略。例如,将具有五个价电子的磷原子掺杂到半导体硅中,提高电子浓度并形成n型掺杂。相反,将具有三个价电子的硼原子掺杂到半导体硅中,会增加其空穴浓度并形成p型掺杂。该p掺杂,n掺杂半导体,被广泛用于制造硅电子器件,并构成了现代电子工业的基础。近年来,二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)由于其具有较大的比表面积,较高的理论载流子迁移率,层数依赖的能带结构和光学性质等特性,得到了广泛的研究;并在电子,光电子,传感器和催化等领域表现出较大潜力。TMDCs的掺杂可以调节其本征载流子浓度,物相结构,光学以及磁学性能,为实现TMDCs更广阔的应用提供了可能。

迄今为止,TMDCs的常见掺杂方法包括:(1)表面化学吸附掺杂,改变TMDCs的电学输运行为和光学特性。然而,该方法的掺杂效果随时间降低。(2)TMDCs材料的硫族元素(S,Se,Te)取代掺杂,该策略通常只能对TMDCs的性质进行有限调制,多见于光学带隙的调控。(3)金属元素对TMDCs的过渡金属进行取代掺杂。在此类掺杂中,金属取代掺杂较另外两类掺杂更加稳定,并且金属元素丰富的d轨道将赋予TMDCs新的性质,比如磁性和物相转变。过去几年里,在金属元素取代掺杂的应用上取得了重要的进展。对于材料本身,人们迫切需要开发一种简单且可在各类衬底上生长的普适性方法,以制备具有大面积、金属元素取代掺杂的二维TMDCs。

基于此,清华-伯克利深圳学院成会明、刘碧录课题组采用化学气相沉积法生长了大面积二维Mn掺杂MoS2,其中,Mn原子部分取代了二维 MoS2晶格中Mo原子位点。该生长的关键在于采用了双添加剂化学气相沉积法。首先,MnO2添加剂提供Mn源,降低材料的成核密度,提高生长的二维材料的横向尺寸;其次,NaCl添加剂于MnO2的混合有助于促进取代掺杂,提高Mn掺杂浓度。由于Mn比Mo元素具有更多的价电子,因此掺杂会使二硫化钼费米能级移向导带,从而有助于改善场效应晶体管的电接触以及电催化剂的析氢活性。

研究者相信,此项研究将会为其它过渡金属元素掺杂二维材料的CVD生长提供新的思路,并进一步实现基于新型原子层二维材料在电学,光电子,磁学以及自旋器件领域的应用。相关论文以“Dual‐Additive Assisted Chemical Vapor Deposition for the Growth of Mn‐Doped 2D MoS2 with Tunable Electronic Properties”为题,在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.201903181)上。论文第一作者为清华-伯克利深圳学院博士生蔡正阳,论文合作单位包括南方科技大学、浙江大学。