加入一個碳原子，就可以轉變二維半導體材料

加入一個碳原子，就可以轉變二維半導體材料！賓夕法尼亞州立大學研究人員稱，一種將碳-氫分子引入半導體材料二硫化鎢的單個原子層技術，極大地改變了這種材料的電子特性。可以用這種材料為節能光電設備和電子電路制造新型元件。論文的第一作者材料科學與工程博士生張福(音譯)說：我們已經成功地將碳元素引入半導體材料的單層中，其研究2019年5月24日發表在《科學進展》(scienceAdvances上。

在加入碳原子之前，半導體是一種過渡金屬二鹵代烴(TMD)，是n型電子導電體。用碳原子代替硫原子后，這種單原子厚的材料產生了雙極效應、p型空穴支和n型支。這就產生了雙極性半導體。毛里西奧·特隆斯(MauricioTerrones)是一名資深作家，也是物理、化學和材料科學與工程領域的杰出教授。一旦材料被高度摻雜碳，研究人員就能產生具有很高載流子遷移率的簡并p型。可以制造出n+/p/n+和p+/n/p+結，它們具有這種半導體所沒有的特性，在應用方面，半導體被用于工業中的各種設備。

等離子體輔助碳氫化合物摻雜在WS2晶格中的示意圖。圖片：FuZhang/PennState在這種情況下，這些設備中的大多數將是不同種類的晶體管，筆記本電腦里大約有100萬億個晶體管。這種材料也可能對電化學催化有好處，可以提高半導體的導電性，同時又具有催化活性。由于二維材料摻雜需要在特定的條件下同時進行多個過程，因此在二維材料摻雜領域的研究較少。該團隊技術使用等離子體將甲烷裂解的溫度降低到752華氏度。與此同時，等離子體必須足夠強大，能夠把硫原子從原子層中撞出來，并取代一個碳氫單位。要打開單層膜并不容易，然后測量載體的傳輸也不是件小事。

材料科學與工程系教授兼系主任SusanSinnott提供了指導實驗工作的理論計算。當Terrones和Zhang觀察到摻雜這種二維材料正在改變它的光學和電子特性時，sinnott團隊預測了最佳摻雜原子并預測了其特性，這與實驗相符。測量了不同晶體管中碳取代量不斷增加時的載流子輸運，觀察電導的根本變化，直到完全改變了傳導類型從負到正。化學摻雜是改變二維過渡金屬雙鹵代烷(2D-TMDs)電子、化學和光學性質的有效途徑。研究采用等離子體輔助方法將碳-氫(CH)單元引入WS2單分子層。

發現ch-基團是將碳引入WS2的最穩定摻雜劑，這使得光致發光光譜顯示的能帶隙從1.98eV降低到1.83eV。像差校正高分辨率掃描透射電鏡(AC-HRSTEM)結合第一原理計算的觀察結果證實，ch基團合并到WS2中的S空位中。根據電子傳輸測量，未摻雜的WS2表現出單極n型傳導。然而，隨著碳摻雜水平的增加，CH-WS2單分子層出現了p分支，并逐漸完全變成p型。因此，嵌入到WS2晶格中的ch基團可以調整其電子和光學特性，該方法可用于其他2D-TMDs器件的高效集成。