Electrostatic doping improves 2D semiconductor performance — ABC Chemicals

Преодоление дефектов в однослойных материалах может проложить путь для их использования в электронике

Исследователи в США показали, как настройка электрического потенциала 2D-полупроводника может значительно увеличить его светоотдачу, и это открытие может помочь этим материалам найти новые применения в оптоэлектронике.

2D или однослойные полупроводники, такие как дисульфид молибдена (MoS2) может однажды позволить инженерам производить ультратонкие, гибкие светодиоды и солнечные элементы. Однако в настоящее время они крайне неэффективны.

Освещение полупроводника светом достаточной частоты генерирует экситоны (электронно-дырочные пары). Наиболее важным параметром любого полупроводника, используемого в оптоэлектронике, является квантовый выход фотолюминесценции — доля экситонов, которые распадаются, генерируя больше света. «Это диктует максимальную теоретическую эффективность, которую вы когда-либо могли получить в любом светодиоде или солнечном элементе, используя этот материал», — объясняет Али Хави из Калифорнийского университета в Беркли. В дихалькогенидах переходных металлов, таких как MoS2обычно это только около 0,1% — экситоны взаимодействуют со структурными дефектами, такими как отсутствующие атомы, стимулируя образование би-экситонов (экситонных пар) и положительных или отрицательных трионов (комбинаций экситонов со свободными электронами или дырками, соответственно). Оба из них производят тепловую энергию.

В 2015 году Javey и коллеги сообщили, что лечение поверхности MoS2 с бис (трифторметан) сульфонимидом (TFSI) увеличил свой квантовый выход фотолюминесценции в 190 раз, но эффективность метода оставалась плохо изученной. Более того, говорят исследователи, промышленное применение будет затруднено. «В физике устройств вам часто нужно подвергать ваш образец воздействию вакуума и различных растворителей», — объясняет Джейви. «Мы часто видели, что TFSI исчезнет».

На этот раз исследователи выбрали другой подход. Вместо химического лечения МЗ2они заключили его в полимер вместе с золотым электродом. Они прикрепили диэлектрический слой и противоэлектрод, чтобы точно контролировать потенциал полупроводника. Они обнаружили, что при отсутствии напряжения квантовый выход фотолюминесценции образца составлял 0,1%. Когда они уменьшили интенсивность падающего света и приложили отрицательное напряжение к противоэлектроду, однако, квантовый выход резко увеличился, достигнув примерно 75% при -20В.

Дисульфид молибдена естественно богат электронами. Поэтому, как полагает команда, без приложенного напряжения большая часть экситонов будет соединяться со свободными электронами с образованием отрицательных трионов. Однако подача отрицательного напряжения на задний затвор отвлекала свободные электроны от монослоя, позволяя большему количеству экситонов оставаться нейтральными и распадаться для получения света. Чтобы проверить эту гипотезу, они проверили другие дихалькогенидные монослои. Дисульфид вольфрама показал аналогичное поведение. Селениды вольфрама и молибдена, однако — которые, естественно, имеют примерно одинаковое количество электронов и дырок — показали свои максимальные квантовые выходы без приложенного напряжения.

Это решает загадку, почему TFSI оказал такое сильное влияние на квантовый выход фотолюминесценции MoS2, объясняет Джейви. «TFSI — известная кислота Льюиса, поэтому она просто вытягивала электроны с поверхности», — говорит он. Отключение падающего света привело к уменьшению количества экситонов в полупроводнике, уменьшая количество образующихся би-экситонов. Это было бы более проблематичным в устройстве. «Если вы используете светодиод, то обычно вы хотите, чтобы он был очень ярким», — говорит Джейви. «В моей лаборатории есть текущие проекты по поддержанию высокого квантового выхода фотолюминесценции при высоких концентрациях экситонов».

«Эта статья окажет огромное влияние, если действительно вы сможете взять любой случайный монослойный полупроводник, независимо от того, сколько у вас дефектов, выполнить электростатическое легирование и получить очень высокий квантовый выход фотолюминесценции», — говорит Андреа Феррари, директор Кембриджский центр графена в Великобритании. «Возможно, не идеально, чтобы реальные устройства работали при 20–50 В, но я думаю, что более важным моментом является то, что они показали, почему метод TFSI, который мы использовали сами, работает, который позволяет людям искать другие способы достичь того же результата.

Фрэнк Коппенс из Института фотонных наук в Барселоне также впечатлен. «Я всегда думал, что качество материала в этих полупроводниковых монослоях ограничивало и что его решение заняло бы много времени, но они, кажется, сделали это довольно простым способом», — говорит он. Однако он предупреждает, что хотел бы увидеть больше деталей, прежде чем быть полностью убежденным.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *