Forstå virkningen af ​​defekter på egenskaberne af MoS2

Forskere ved Center for Integrated Nanostructure Physics har vist, at defekter i monolag molybdændisulfid (MoS) ₂ ) udviser elektrisk kobling, giver ny indsigt i dette materiales elektriske egenskaber. Som MoS ₂ er en af ​​de mest lovende 2-D halvledere, det forventes, at disse resultater vil bidrage til dets fremtidige anvendelse i optoelektronik.

Defekter kan forårsage store ændringer i et materiales egenskaber, fører til enten ønskelige eller uønskede virkninger. For eksempel, den petrokemiske industri har længe draget fordel af MoS's katalytiske aktivitet ₂ kanter, karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​en høj koncentration af defekter, at producere olieprodukter med reduceret svovldioxid (SO ₂ ) emissioner. På den anden side, at have et uberørt materiale er et must i elektronik. I øjeblikket, silicium styrer industrien, fordi den kan tilberedes på en praktisk talt fejlfri måde. I tilfælde af MoS ₂ , dets egnethed til elektroniske applikationer er i øjeblikket begrænset af tilstedeværelsen af ​​naturligt forekommende defekter. Indtil nu, den præcise sammenhæng mellem disse defekter og de forringede egenskaber af MoS ₂ har været et åbent spørgsmål.

I IBS, et hold fysikere, materialeforskere, og elektriske ingeniører arbejdede tæt sammen for at udforske de elektroniske egenskaber af svovl ledige stillinger i MoS ₂ monolag, ved hjælp af en kombination af atomkraftmikroskopi (AFM) og støjanalyse. Forskerne brugte en metallisk AFM-spids til at måle støjsignalet, dvs. variationen af ​​elektrisk strøm, der passerer gennem et enkelt lag af MoS ₂ placeres på et metalunderlag.

De mest almindelige defekter i MoS ₂ er tilfælde af manglende enkelte svovlatomer, også kendt som svovl monovacancies. I en perfekt prøve, hvert svovlatom har to valenselektroner, der binder til to molybdænelektroner. Imidlertid, hvor der mangler et svovlatom, disse to molybdænelektroner efterlades umættede, definere den neutrale tilstand (0-tilstand) af defekten. Imidlertid, holdet observerede hurtige skiftebegivenheder i deres støjmålinger, angiver status for den ledige stilling skiftet mellem neutral (0 tilstand) og opladet (-1 tilstand).

"Skiftet mellem 0 og -1 sker kontinuerligt. Mens en elektron opholder sig på den ledige plads i et stykke tid, den mangler fra strømmen, sådan at vi observerer et strømfald, " forklarer Michael Neumann, en af ​​de første forfattere til undersøgelsen. "Dette går langt hen imod at forstå de kendte anomalier i MoS ₂ , og det er meget interessant, at svovl ledige stillinger alene er nok til at forklare disse anomalier, uden at kræve mere komplekse defekter." Ifølge eksperimenterne og tidligere beregninger, to elektroner kan også fanges ved den ledige stilling (-2 tilstand), men dette synes ikke at være energisk begunstiget.

Den nye observation, at svovl ledige stillinger kan opkræves (-1 og -2 tilstande), kaster lys over flere MoS ₂ anomalier, inklusive dens reducerede elektronmobilitet observeret i MoS2 monolagsprøver:elektroner bevæger sig efter retningen af ​​en påført spænding, men bliver spredt af belastede defekter. "-1-staten er besat omkring 50 % af tiden, hvilket ville føre til spredning af elektroner, og dermed forklare hvorfor MoS ₂ har så dårlig mobilitet, " præciserer Neumann. Andet MoS ₂ karakteristika, som kan forklares af denne undersøgelse, er n-type doping af MoS ₂ , og den uventede store modstand ved MoS ₂ -metalforbindelse.

"Denne forskning åbner muligheden for at udvikle en ny støj-nanospektroskopi-enhed, der er i stand til at kortlægge en eller flere defekter på en nanoskala over et bredt område af et 2-D-materiale, " konkluderer den tilsvarende forfatter Young Hee Lee.

Hele undersøgelsen er tilgængelig på Naturkommunikation .