science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

De impact van defecten op de eigenschappen van MoS2 . begrijpen

Het onderzoek naar 2-D molybdeendisulfide (MoS 2 ) defecten gebruikten laagfrequente ruismetingen en geleidende atoomkrachtmicroscopie (C-AFM). De vergrote afbeelding toont een AFM-cantilevertip die wijst naar een gebied met één zwavelmonovacature (gebied rood gearceerd). Terwijl de stroom door de AFM-tip en het monster stroomt, schakelgebeurtenissen tussen verschillende ionisatietoestanden (neutraal en geladen -1) worden gemeten. Met een straal van ongeveer 25 nanometer, de AFM-tip beslaat een gebied dat ongeveer 1-8 zwavelmonovacatures bevat. Krediet:IBS, gepubliceerd op Natuurcommunicatie

Onderzoekers van het Center for Integrated Nanostructure Physics hebben aangetoond dat defecten in monolaag molybdeendisulfide (MoS 2 ) vertonen elektrisch schakelen, nieuwe inzichten geven in de elektrische eigenschappen van dit materiaal. als MoS 2 is een van de meest veelbelovende 2D-halfgeleiders, naar verwachting zullen deze resultaten bijdragen aan het toekomstige gebruik ervan in opto-elektronica.

Defecten kunnen grote veranderingen veroorzaken in de eigenschappen van een materiaal, leiden tot gewenste of ongewenste effecten. Bijvoorbeeld, de petrochemische industrie heeft lang geprofiteerd van de katalytische activiteit van MoS 2 randen, gekenmerkt door de aanwezigheid van een hoge concentratie aan defecten, om aardolieproducten te produceren met gereduceerd zwaveldioxide (SO 2 ) uitstoot. Anderzijds, het hebben van een ongerept materiaal is een must in de elektronica. Momenteel, silicium regeert de industrie, omdat het vrijwel foutloos kan worden bereid. In het geval van MoS 2 , de geschiktheid voor elektronische toepassingen wordt momenteel beperkt door de aanwezigheid van natuurlijk voorkomende defecten. Tot dusver, het precieze verband tussen deze defecten en de aangetaste eigenschappen van MoS 2 is een open vraag geweest.

Bij PDS, een team van natuurkundigen, materiaal wetenschappers, en elektrotechnici werkten nauw samen om de elektronische eigenschappen van zwavelvacatures in MoS . te onderzoeken 2 monolagen, met behulp van een combinatie van atomaire krachtmicroscopie (AFM) en ruisanalyse. De wetenschappers gebruikten een metalen AFM-tip om het ruissignaal te meten, d.w.z., de variatie van elektrische stroom die door een enkele laag MoS . gaat 2 geplaatst op een metalen ondergrond.

De meest voorkomende defecten in MoS 2 zijn gevallen van ontbrekende enkele zwavelatomen, ook bekend als zwavelmonovacatures. In een perfect voorbeeld, elk zwavelatoom heeft twee valentie-elektronen die binden aan twee molybdeenelektronen. Echter, waar een zwavelatoom ontbreekt, deze twee molybdeenelektronen blijven onverzadigd, het definiëren van de neutrale toestand (0 toestand) van het defect. Echter, het team observeerde snelle schakelgebeurtenissen in hun geluidsmetingen, aanduiding van de staat van de vacature geschakeld tussen neutraal (0 staat) en geladen (-1 staat).

De bovenste grafiek illustreert de schakelprocessen tussen het neutrale niveau (0-status) en het geladen niveau (-1-status) die optreden wanneer een elektron (rode cirkel) van de lopende stroom wordt gevangen (linksboven) of vrijgegeven (rechtsboven) op het zwavelleegstanddefect (gemarkeerd door groene cirkel). De onderste grafiek toont schakelgebeurtenissen in de stroom die optreden wanneer elektronen van de stroom door de MoS . gaan 2 monster zijn gevangen op de vacature, of ontslagen uit de vacature. Krediet:IBS

"Het schakelen tussen 0 en -1 gebeurt continu. Terwijl een elektron een tijdje op de vacature staat, het ontbreekt in de stroom, zodat we een stroomdaling waarnemen, " legt Michael Neumann uit, een van de co-eerste auteurs van de studie. "Dit gaat een lange weg naar het begrijpen van de bekende anomalieën van MoS 2 , en het is heel interessant dat zwavelvacatures alleen voldoende zijn om deze anomalieën te verklaren, zonder dat er meer complexe defecten nodig zijn." Volgens de experimenten en eerdere berekeningen, twee elektronen kunnen ook worden opgesloten in de vacature (-2-toestand), maar dit lijkt energetisch niet gunstig te zijn.

De nieuwe waarneming dat zwavelvacatures kunnen worden opgeladen (-1 en -2 toestanden) werpt licht op verschillende MoS 2 afwijkingen, inclusief de verminderde elektronenmobiliteit waargenomen in MoS2-monolaagmonsters:elektronen bewegen in de richting van een aangelegde spanning, maar verstrooid raken door geladen defecten. "De -1-status is ongeveer 50% van de tijd bezet, wat zou leiden tot verstrooiing van elektronen, en leg zo uit waarom MoS 2 heeft zo'n slechte mobiliteit, " verduidelijkt Neumann. Andere MoS 2 kenmerken die door deze studie kunnen worden verklaard, zijn de n-type doping van MoS 2 , en de onverwacht grote weerstand bij de MoS 2 - metalen verbinding.

"Dit onderzoek opent de mogelijkheid om een ​​nieuw apparaat voor ruis-nanospectroscopie te ontwikkelen dat in staat is een of meer defecten op nanoschaal in kaart te brengen over een groot gebied van een 2D-materiaal, " concludeert de corresponderende auteur Young Hee Lee.

Het volledige onderzoek is beschikbaar op: Natuurcommunicatie .