Verständnis der Auswirkungen von Defekten auf die Eigenschaften von MoS2

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Anonim

Forscher am Zentrum für Integrierte Nanostrukturphysik haben gezeigt, dass Defekte in Monoschicht-Molybdändisulfid (MoS 2) elektrische Schaltvorgänge aufweisen, die neue Einblicke in die elektrischen Eigenschaften dieses Materials ermöglichen. Da MoS 2 einer der vielversprechendsten 2-D-Halbleiter ist, wird erwartet, dass diese Ergebnisse zu seiner zukünftigen Verwendung in der Optoelektronik beitragen werden.

Defekte können die Eigenschaften eines Materials stark verändern, was zu wünschenswerten oder unerwünschten Effekten führt. Zum Beispiel hat die petrochemische Industrie lange Zeit die katalytische Aktivität von MoS 2 -Kanten ausgenutzt, die durch die Anwesenheit einer hohen Konzentration von Defekten gekennzeichnet sind, um Erdölprodukte mit verringerten Schwefeldioxid (SO 2) -Emissionen zu erzeugen. Auf der anderen Seite ist ein makelloses Material ein Muss in der Elektronik. Derzeit beherrscht Silizium die Industrie, weil es praktisch fehlerfrei hergestellt werden kann. Im Fall von MoS 2 ist seine Eignung für elektronische Anwendungen derzeit durch das Vorhandensein natürlich vorkommender Defekte begrenzt. Bisher war die genaue Verbindung zwischen diesen Defekten und den verschlechterten Eigenschaften von MoS 2 eine offene Frage.

In IBS arbeitete ein Team von Physikern, Materialwissenschaftlern und Elektroingenieuren eng zusammen, um die elektronischen Eigenschaften von Schwefelfehlstellen in MoS 2 -Monoschichten mit einer Kombination aus Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rauschanalyse zu untersuchen. Die Wissenschaftler verwendeten eine metallische AFM-Spitze, um das Rauschsignal zu messen, dh die Variation des elektrischen Stroms, der durch eine einzelne Schicht von MoS 2 auf einem Metallsubstrat fließt.

Die häufigsten Defekte in MoS 2 sind Fälle von fehlenden einzelnen Schwefelatomen, auch bekannt als Schwefel-Monovacancies. In einer perfekten Probe hat jedes Schwefelatom zwei Valenzelektronen, die an zwei Molybdänelektronen binden. Wo jedoch ein Schwefelatom fehlt, bleiben diese beiden Molybdänelektronen ungesättigt und definieren den neutralen Zustand (0-Zustand) des Defekts. Das Team beobachtete jedoch schnelle Schaltvorgänge in ihren Lärmmessungen, die den Zustand der Leerstelle zwischen Neutral (0-Zustand) und geladen (-1-Zustand) anzeigten.

"Der Wechsel zwischen 0 und -1 geschieht kontinuierlich. Während ein Elektron eine Weile an der Leerstelle verweilt, fehlt es in der Strömung, sodass wir einen Stromabfall beobachten", erklärt Michael Neumann, einer der Co-Autoren der Studie. "Dies ist ein großer Schritt zum Verständnis der bekannten Anomalien von MoS 2, und es ist sehr interessant, dass Schwefel-Leerstellen allein ausreichen, um diese Anomalien zu erklären, ohne dass komplexere Defekte erforderlich sind." Gemäß den Experimenten und früheren Berechnungen können zwei Elektronen auch an der Leerstelle (-2-Zustand) gefangen sein, aber dies scheint nicht energetisch bevorzugt zu sein.

Die neue Beobachtung, dass Schwefelleerstellen geladen werden können (Zustände -1 und -2), beleuchtet mehrere MoS 2 -Anomalien, einschließlich der in MoS2-Monoschichten beobachteten reduzierten Elektronenbeweglichkeit: Elektronen bewegen sich in Richtung einer angelegten Spannung, werden aber verstreut geladene Mängel. "Der -1-Zustand ist zu etwa 50% besetzt, was zu einer Streuung von Elektronen führen und damit erklären würde, warum MoS 2 eine so geringe Mobilität aufweist", verdeutlicht Neumann. Andere MoS 2 -Eigenschaften, die durch diese Studie erklärt werden können, sind die Dotierung von MoS 2 vom n-Typ und der unerwartet große Widerstand am MoS 2 -Metallübergang.

"Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, ein neues Rauschnanospektroskopie-Gerät zu entwickeln, das in der Lage ist, einen oder mehrere Defekte im Nanobereich über einen großen Bereich eines zweidimensionalen Materials abzubilden", schließt der Autor Young Hee Lee.

Die vollständige Studie ist auf Nature Communications verfügbar.

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