Tilføjelse af et carbonatom transformerer 2-D halvledende materiale

En teknik, der introducerer kulstof-brintmolekyler i et enkelt atomlag af det halvledende materiale wolframdisulfid, ændrer materialets elektroniske egenskaber dramatisk, ifølge Penn State-forskere i Penn State, der siger, at de kan oprette nye typer komponenter til energieffektive fotoelektriske enheder og elektroniske kredsløb med dette materiale.

"Vi har med succes introduceret kulstofarterne i monolaget af det halvledende materiale, "sagde Fu Zhang, doktorand i materialevidenskab og teknik hovedforfatter til et papir, der i dag blev offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Inden doping - tilsætning af kulstof - halvlederen, et overgangsmetaldichalcogenid (TMD), var n-type-elektronledende. Efter udskiftning af carbonatomer med svovlatomer, det et-atom-tykke materiale udviklede en bipolar effekt, en p-type — hul — gren, og en gren af ​​n-typen. Dette resulterede i en ambipolar halvleder.

"Det faktum, at du kan ændre egenskaberne dramatisk ved at tilføje så lidt som to atomprocent, var noget uventet, "Mauricio Terrones, seniorforfatter og fornem professor i fysik, kemi og materialevidenskab og teknik.

Ifølge Zhang, når materialet er stærkt dopet med kulstof, forskerne kan producere en degenereret p-type med en meget høj bærermobilitet. ”Vi kan bygge n ⁺ /p/n ⁺ og s ⁺ /n/s ⁺ kryds med egenskaber, der ikke er set med denne type halvleder, " han sagde.

Med hensyn til ansøgninger, halvledere bruges i forskellige enheder i industrien. I dette tilfælde, de fleste af disse enheder vil være transistorer af forskellig art.

"Denne type materiale kan også være god til elektrokemisk katalyse, "Terrones sagde." Du kan forbedre halvlederens ledningsevne og have katalytisk aktivitet på samme tid. "

Der er få papirer inden for 2-D materialer doping, fordi det kræver, at flere processer finder sted samtidigt under bestemte typer betingelser. Holdets teknik bruger et plasma til at sænke den temperatur, ved hvilken metan kan revnes - splittes fra hinanden - ned til 752 grader Fahrenheit. På samme tid, plasmaet skal være stærkt nok til at slå et svovlatom ud af atomlaget og erstatte en carbon-hydrogen-enhed.

"Det er ikke let at dope monolag, og derefter at måle transport af transport er ikke trivielt, "Terrones siger." Der er et sødt sted, hvor vi arbejder. Mange andre ting er påkrævet. "

Susan Sinnott, professor og leder af Institut for Materialevidenskab og Teknik, givet teoretiske beregninger, der guidede det eksperimentelle arbejde. Da Terrones og Zhang observerede, at doping af 2-D-materialet ændrede dets optiske og elektroniske egenskaber-noget, de aldrig havde set før-forudsagde Sinnotts team det bedste atom at dope med og forudsagde egenskaberne, hvilket svarede til forsøget.

Saptarshi Das, adjunkt i ingeniørvidenskab og mekanik, og hans gruppe, målte derefter transportøren i forskellige transistorer med stigende mængder carbonsubstitution. De så konduktansen ændre sig radikalt, indtil de helt havde ændret ledningstypen fra negativ til positiv.

”Det var meget et tværfagligt arbejde, "Siger Terrones.

Yderligere forfattere på Videnskab fremskridt papir, med titlen "Carbon doping of WS ₂ monolag:Båndgapreduktion og p-type dopingtransport, "omfatter nuværende eller tidligere ph.d. -studerende Yanfu Lu, Daniel Schulman, Tianyi Zhang, Zhong Lin og Yu Lei; og Ana Laura Ellias og Kazunori Fujisawa, assisterende forskningsprofessorer i fysik.