二硒化鉬二維原子晶體的等電子摻雜

摻雜和缺陷在很大程度上決定了傳統的半導體材料的器件性能。與傳統半導體類似，為了實現二維過渡金屬硫族化合物(TMDCs)材料在電子、光電以及光子器件等領域的應用，需要對這一材料進行可控摻雜和缺陷調制，從而調控二維材料的能帶結構，載流子的類型和濃度，進而實現材料的多功能化與器件集成。與傳統半導體材料相比，二維材料只有一層或幾層原子厚度，從而只有一維線缺陷和零維的點缺陷，并且這些缺陷嚴重的影響二維材料的光電性能。通常用化學氣相沉積方法合成的二維材料都有不同濃度的本征結構缺陷。如何通過控制二維材料缺陷的類型和濃度從而調控其性能來實現其在光電子器件和能源領域的應用是二維材料研究領域的一個重要挑戰。
    近期，美國橡樹嶺國家實驗室納米中心肖愷研究員領導的團隊通過等電子金屬摻雜的方法，不但可以實現對二維材料的能帶結構以及載流子的類型和濃度的調控，還可以減少點缺陷的濃度，從而提高材料的質量和性能。與摻雜富電子或者缺電子元素不同，等電子元素和基體元素通常具有相似的電子結構和性能，所以摻雜這類原子進入晶格會減少晶格不匹配造成的位錯和其它缺陷的引入，但是由于電負性的不同，也可能會引起晶格中電勢不同從而來調制載流子的濃度。肖愷團隊在化學氣相沉積生長的過程中實現等電子元素鎢(W)置換MoSe₂晶格中的部分鉬(Mo)原子，從而形成W_xMo_1-xSe₂二維合金材料。他們利用高角度環形暗場掃描透射電鏡(ADF-STEM)直接觀察到了二維晶格中的Se空位缺陷和置換的W原子并且精確測量其濃度。他們發現通過W置換摻雜，Se空位缺陷的濃度可以減少至原來的50%左右, 從而使單層W_xMo_1-xSe₂的發光強度較之MoSe₂提高了10倍之多。另外，理論計算證明等電子元素W摻雜可以減少深能級缺陷態在單層MoSe2的形成。這項工作給我們提供了一個新的思路和方法來調控二維材料中的缺陷，從而提高材料的質量和性能來實現這類材料在未來光電子器件和能源領域的應用。

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