Een techniek die koolstof-waterstofmoleculen introduceert in een enkele atomaire laag van het halfgeleidende materiaal wolfraamdisulfide verandert de elektronische eigenschappen van het materiaal drastisch. volgens Penn State-onderzoekers van Penn State die zeggen dat ze met dit materiaal nieuwe soorten componenten kunnen maken voor energiezuinige foto-elektrische apparaten en elektronische circuits.

"We hebben met succes de koolstofsoort geïntroduceerd in de monolaag van het halfgeleidende materiaal, " zei Fu Zhang, doctoraatsstudent in materiaalkunde en engineering hoofdauteur van een paper dat vandaag online is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Voorafgaand aan doping - het toevoegen van koolstof - de halfgeleider, een overgangsmetaal dichalcogenide (TMD), was n-type—elektron geleidend. Na vervanging van zwavelatomen door koolstofatomen, het één-atoom-dikke materiaal ontwikkelde een bipolair effect, een p-type-gat-tak, en een n-type tak. Dit resulteerde in een ambipolaire halfgeleider.

"Het feit dat je de eigenschappen drastisch kunt veranderen door slechts twee atoomprocent toe te voegen, was iets onverwachts, "Mauricio Terrones, senior auteur en vooraanstaand hoogleraar natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde en techniek.

Volgens Zhang, zodra het materiaal sterk gedoteerd is met koolstof, de onderzoekers kunnen een gedegenereerd p-type produceren met een zeer hoge dragermobiliteit. "We kunnen bouwen n ⁺ /p/n ⁺ en P ⁺ /n/p ⁺ knooppunten met eigenschappen die niet zijn waargenomen bij dit type halfgeleider, " hij zei.

Op het gebied van toepassingen, halfgeleiders worden gebruikt in verschillende apparaten in de industrie. In dit geval, de meeste van die apparaten zullen verschillende soorten transistors zijn.

"Dit type materiaal zou ook goed kunnen zijn voor elektrochemische katalyse, "Zei Terrones. "Je zou de geleidbaarheid van de halfgeleider kunnen verbeteren en tegelijkertijd katalytische activiteit hebben."

Er zijn weinig artikelen op het gebied van doping van 2D-materialen, omdat het vereist dat meerdere processen tegelijkertijd plaatsvinden onder specifieke soorten omstandigheden. De techniek van het team gebruikt een plasma om de temperatuur waarbij methaan kan worden gekraakt - uit elkaar gehaald - te verlagen tot 752 graden Fahrenheit. Tegelijkertijd, het plasma moet sterk genoeg zijn om een ​​zwavelatoom uit de atoomlaag te slaan en een koolstof-waterstofeenheid te vervangen.

"Het is niet gemakkelijk om monolagen te dopen, en dan is het meten van vervoerdervervoer niet triviaal, ", zegt Terrones. "Er is een goede plek waar we werken. Er zijn veel andere dingen nodig."

Susan Sinnot, hoogleraar en hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering, verstrekte theoretische berekeningen die het experimentele werk leidden. Toen Terrones en Zhang merkten dat doping van het 2D-materiaal de optische en elektronische eigenschappen veranderde - iets wat ze nog nooit eerder hadden gezien - voorspelde het team van Sinnott het beste atoom om mee te dopen en voorspelde de eigenschappen, die overeenkwam met het experiment.

Saptarshi Das, assistent-professor in de ingenieurswetenschappen en mechanica, en zijn groep, vervolgens het dragertransport gemeten in verschillende transistoren met toenemende hoeveelheden koolstofsubstitutie. Ze zagen de geleiding radicaal veranderen totdat ze het geleidingstype volledig hadden veranderd van negatief naar positief.

"Het was een heel multidisciplinair werk, ' zegt Terrones.

Extra auteurs op de wetenschappelijke vooruitgang papier, getiteld "Carbon doping van WS ₂ monolagen:Bandgap-reductie en p-type dopingtransport, " omvatten huidige of voormalige promovendi Yanfu Lu, Daniël Schulman, Tianyi Zhang, Zhong Lin en Yu Lei; en Ana Laura Ellias en Kazunori Fujisawa, assistent-onderzoeksprofessoren natuurkunde.