【纳米】缺陷工程调制二维半导体材料学术资讯

来源：X一MOL资讯

自2004年安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫成功得到单层石墨烯以来，二维材料引起了各国研究人员极大的关注，尤其在半导体领域，人们希望利用新型的二维结构给行将终结的摩尔定律注入希望。对于二维半导体材料是否能对其性能进行调制呢？近日，武汉大学的张晨栋团队通过缺陷工程对单层WSe2进行了调制。

近年来，二维半导体材料的研究日趋增多，具有做为硅基材料替代者的潜力。人们对于二维半导体材料的制备、能带结构、输运特性等一系列物理化学研究已日趋完善，并且在此基础上开发了多种基于二维半导体材料的应用器件，如场效应管、存储器等。但目前二维半导体材料在其性能调制方面仍有待研究。

武汉大学张晨栋团队通过缺陷工程二维半导体材料性能调制提供了新的思路。点缺陷是决定二维过渡金属二卤化物（TMDs）诸多关键物性的核心因素，如功函数、载流子输运机制和束缚激子的单光子发射等。而该材料中点缺陷在微观层面的直接实验研究还甚缺乏，其原子尺度构效关系未有定论。张晨栋教授等人结合扫描隧道显微镜/扫描隧道谱和第一性原理计算，研究了单层WSe2中单钾原子修饰的钨空位的原子-电子结构。

图1. (a)单层WSe2中钨空位的原子分辨STM图像。(b)大面积均一的钾原子修饰缺陷。

该工作首先利用分子束外延技术，通过对动力学热力学窗口的精确控制，获得大面积均一结构的单钾原子修饰的钨空位缺陷（图1b）。结合多种模式的扫描隧道谱表征，在实验上首次直接观测到单层TMD材料点缺陷的多重隙间能级（图2）。与第一性原理计算结合，提出单层TMD中本征点缺陷态难以被观测的原因在于其原子轨道构成及z方向波函数缺乏交叠。单个钾原子的电子注入效应，对缺陷态能级和波函数分布进行了显著调制，为实验上对点缺陷的观测提供了窗口（例如，在该工作中澄清了扫描探针测量对缺陷类型的判定）。

此外与理论计算结合，该工作预言了钾原子贡献的未配对电子会在自由状态的材料体系中导致局域磁矩（~1μB）的产生，该磁矩依赖于奇-偶数电子填充状态，可能通过外电场实现调控开关状态。实验上对于“关”状态的能级结构观测与理论预言精确符合。值得注意的是，二维TMD材料点缺陷的磁性近期也在其它实验工作中获得一定证实，为二维半导体材料在自旋器件应用和能谷-自旋-偏振结合的光电器件开发提供了新的可能。

图2. 钨空位的扫描隧道谱(STS)研究。单钾原子修饰钨空位 (红色)；本征钨空位 (橙色)；单层WSe2(黑色)

该工作揭示了二维半导体材料中点缺陷的原子-电子结构关联，演示了单原子尺度上的点缺陷修饰调控，对扫描探针技术在该方向研究中的一些关键问题进行了澄清，并为在二维半导体材料中自旋自由度的应用提供了新的可能。

这一成果近期发表在ACS Nano上，文章第一作者是武汉大学张晨栋教授。

Engineering Point-Defect States in Monolayer WSe2

Chendong zhang, Cong Wang, Feng Yang, Jing-Kai Huang, Lain-Jong Li, Wang Yao, Wei Ji, Chih-Kang Shih

ACS Nano, 2019, 13, 1595–1602, DOI: 10.1021/acsnano.8b07595

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