Advanced Materials:二维材料的可控掺杂

掺杂是每一代半导体材料更迭和工艺革新的核心问题,决定其能否进一步推动电子和光电器件的跨越发展。原子层厚的二维层状材料具有优异的电学、光学、磁学等物理性质,在功能化、集成化、一体化的电子和光电器件领域展现出巨大前景。目前,二维层状材料的掺杂方法包括表面电荷转移掺杂、溶液插层掺杂和原子取代掺杂。其中,电荷转移掺杂能有效地调控薄层二维材料的电子能带结构和提高集成化,但是掺杂剂的低掺杂效率及其对高温器件的短期稳定性严重限制了此掺杂方法。溶液插层掺杂会在二维材料的范德瓦斯层中引入外来原子,但是掺杂入的原子易使二维材料重掺。传统离子注入取代掺杂产生的高能量粒子会破坏原子层二维材料的晶体结构,使得器件性能难以提升。因此,原子层厚二维材料的可控掺杂仍然是一个巨大的挑战。

基于此,中科院上海技术物理研究所胡伟达研究员和复旦大学周鹏教授提出原子层厚度变化实现一系列二维层状材料掺杂特性的可调可控,并基于晶格的热力学和动力学阐明了原子层厚度调控掺杂的机制,是由厚度诱导的晶格形变使得缺陷型发生变化所导致的,并研制出层厚调控的高性能电子和光电子器件。

本项研究介绍了通过原子层厚度的变化实现了一系列二维层状材料(PtSSe、PtS0.8Se1.2、PdSe2和WSe2)的连续可控掺杂。随着二维材料从厚层变化到薄层,其掺杂类型连续从p型变化到i型,再变到成n型。基于二维层状材料PtSSe的晶格动力学和热力学的研究发现,由于厚度的减薄诱导二维材料PtSSe产生晶格形变,使得二维材料PtSSe的缺陷类型从Pt空位转变成阴离子(Se、S)空位,从而导致厚层和薄层的PtSSe分别是p型和n型掺杂。通过原子层厚度的调控,制备出具有高整流比(4400)和光照开路电压(0.38V)的WSe2二极管。同时,层厚调控的PtSSe探测器克服了窄带隙光电器件暗电流大的缺点。本研究不仅为探索二维层状材料中的相互作用机理提供了一个崭新的视角,而且为设计和构建高性能电子和光子器件提供了一种新的方法。

论文信息:

Controllable Doping in 2D Layered Materials

Zhen Wang, Hui Xia, Peng Wang, Xiaohao Zhou, Chunsen Liu, Qinghua Zhang, Fang Wang, Menglin Huang, Shiyou Chen, Peisong Wu, Yunfeng Chen, Jiafu Ye, Shenyang Huang, Hugen Yan, Lin Gu, Jinshui Miao, Tianxin Li, Xiaoshuang Chen, Wei Lu, Peng Zhou*, Weida Hu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202104942

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202104942