Advanced Materials:单层二维半导体中空位的潜在益处

揭示材料中晶格缺陷的神秘效应是基础材料科学领域中的一个经久不衰的话题。凭借着对短沟道效应的超强免疫力,只有原子层厚度的二维过渡金属硫族化物是被寄予厚望的下一代沟道材料,但其广泛应用却受到了载流子迁移率过低和饱和电流过小的严重困扰。另一方面,类似于传统半导体材料,二维材料也存在着各种各样的缺陷,包括空位、团簇、晶界等。这些缺陷虽然有着许多负面影响,但也有着诱导掺杂、调控能带结构、诱导相变等独特功能。合理利用这些缺陷也构建出了很多新奇且性能优异的新原理器件。不过利用缺陷的第一要务就是务必熟悉其中每一种缺陷的特点。以单层MoS2为例,其最容易形成也是密度最大的缺陷-硫空位而言,广泛的研究认为其为浅能级施主杂质,可增加MoS2的电子浓度,同时也认为硫空位是导致单层MoS2体现为n型半导体的主要原因。实验上,研究人员们通过各种手段去调控硫空位,试图去操控和了解硫空位以提升单层MoS2的性质。其中,尽量减少二维半导体晶格缺陷是提高其电子性能的常用策略,但却成效甚微。

近日,北京科技大学张跃院士、张铮副教授、加州大学洛杉矶分校段镶锋教授等人首次报道了单层2D半导体中单原子空位的隐藏功能,以推动其电学性能极限。相关工作以“Hidden Vacancy Benefit in Monolayer 2D Semiconductors”为题,发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202007051)。

温和的氢气退火工艺(100-113℃)被用于精确的调控单层MoS2的硫空位浓度(如图1)。这一方法的特点在于不会引入额外的缺陷,比如钼空位。传统的物理缺陷制造策略(譬如等离子体刻蚀)通常借助于粗暴的高能物理轰击,这意味着高能粒子会无差别地同时制造硫空位和其他缺陷。

图1 单层MoS2中硫空位的制造、表征和量化。氢气退火制造硫空位的示意图;不同退火阶段的拉曼光谱、STEM和S:Mo原子比。

通过有目的地将单层MoS2硫空位调控到4.7%的最佳密度,研究人员获得了非同寻常的电学性能增强效应,实现了创纪录的载流子迁移率(>115 cm2 V-1 s-1),非比寻常的电流密度(> 0.60 mA /μm)和优异的开/关比>1010 (如图2),并使用这一高性能MoS2构建了具有超高电压增益(>100)的逻辑反相器(如图4)。需要说明的是单层MoS2的电学性能并没有与硫空位浓度表现出单一的正相关性。通过调控氢气退火的温度、氢气气流和退火时长,研究人员系统地阐明随着硫空位浓度的增加,单层MoS2的电输运性能会表现出先增加后降低的规律(如图2e)。其最佳硫空位浓度约为4.7%。

图2 硫空位诱导的单层MoS2电学性能增强效应。不同硫空位浓度的MoS2的转移曲线;迁移率和开关比的统计图;大量样品的迁移率统计表;不同退火参数(退火温度、退火气流和退火时长)下的电学性能对比图。

通过系统变温研究表明,这一鲜为人知的空位增强效应源自MoS2自身的电输运模型-近程跃迁传输,在该模型中,合适的缺陷密度有助于加速载流子的跳跃传输 (如图3)。

图3 硫空位诱导单层MoS2电学性能增强的机理研究。不同温度ln(σ)与1/T的关系分析;不同栅压下的载流子热激活能和跳跃距离;不同硫空位浓度下缺陷平均距离和跳跃距离;不同缺陷浓度的有效态密度;不同缺陷浓度的态密度理论计算。

图4 短沟道的单层MoS2晶体管与同质反相器。沟道长度约为200nm的MoS2晶体管的电学表征、不同硫空位浓度下的MoS2同质反相器的各类表征。

最后,研究人员将这一缺陷制造策略可推广到其他单层二维半导体中,包括CVD生长的单层WS2、单层MoSe2、单层WSe2和机械剥离的单层MoS2,从而定义了提升单层材料的电学输运行为的普适性策略。