Advanced Materials:通过缺陷工程构筑单层二硫化钼同质结逻辑转换器

以MoS2为代表的新型二维(2D)过渡金属硫族化合物材料,因具有原子级厚度、高迁移率、优异的能带结构和稳定的结构等优势,被认为是下一代电子器件的理想替代材料。与传统半导体材料相比,二维MoS2,特别是单层MoS2,仍缺乏有效的电子结构调控手段,传统的原子替换和离子注入等掺杂方法很容易导致材料结构破损。近年来,部分研究成果发现2D材料的缺陷对其电子结构影响显著。目前,已报道的二维材料缺陷制造主要通过离子/电子束辐照、等离子体刻蚀、激光辐照、应变、氢气退火以及亚化学计量生长等方法制造缺陷。然而,这些方法均存在制造的缺陷类型与浓度不可控、结构破坏严重等缺点,进而导致缺陷结构对材料电子结构的调控机制不清晰。同时,这些方法与传统半导体的工艺兼容性也成为限制MoS2在电子器件应用的重要挑战。

北京科技大学材料科学与工程学院张跃院士、张铮副教授团队针对上述问题,发明了一种简单、温和、精确的超薄MoS2硫空位缺陷的可控制造方法。提出利用溶液电子诱导效应,在单层MoS2中可控制造出大量均匀分布且结构稳定的单硫空位(Monosulfur vacancies:Vmonos)。研究发现,随着过氧化氢水溶液的浓度和单层MoS2在过氧化氢水溶液中浸泡时间的增加,MoS2材料中的缺陷类型逐渐从单一类型的单硫空位,发展到双硫空位,最终演变成纳米孔洞。其中,当过氧化氢水溶液的浓度小于24%,浸泡时间为3 mi时,可以形成稳定的单硫空位结构。单硫空位在MoS2能带结构中形成浅能级掺杂,充当电子捕获陷阱,显著降低了MoS2的电子浓度,实现了对MoS2电子结构的调控。将该缺陷制造方法与电子束曝光技术相结合,可以实现空间分辨的电学性能调控,从而在单层MoS2上调控出同质结二极管,其功函数差约为100 meV,输出电流的整流比可达102。进而,构筑了单层MoS2同质结逻辑转换器,器件的电压增益可达到4。该研究为通过缺陷结构精确控制,调控超薄2D材料电子结构调控提供了新的路线。相关成果在线发表在 Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201906646)。