Studien på 2-D molybdendisulfid (MoS 2 ) defekter använde lågfrekventa brusmätningar och konduktiv atomkraftmikroskopi (C-AFM). Den förstorade bilden visar en AFM fribärande spets som pekar mot ett område med en svavel monovacancy (område skuggat rött). När ström flyter genom AFM-spetsen och provet, växlingshändelser mellan olika joniseringstillstånd (neutral och laddad -1) mäts. Med en radie på cirka 25 nanometer, AFM-tipset täcker ett område som innehåller cirka 1-8 monovacanser för svavel. Kredit:IBS, publicerad på Naturkommunikation
Forskare vid Centrum för integrerad nanostrukturfysik har visat att defekter i monolager molybdendisulfid (MoS) 2 ) uppvisar elektrisk omkoppling, ger nya insikter om de elektriska egenskaperna hos detta material. Som MoS 2 är en av de mest lovande 2D-halvledarna, det förväntas att dessa resultat kommer att bidra till dess framtida användning inom optoelektronik.
Defekter kan orsaka stora förändringar i materialets egenskaper, leder till antingen önskvärda eller oönskade effekter. Till exempel, den petrokemiska industrin har länge utnyttjat MoS katalytiska aktivitet 2 kanter, kännetecknas av närvaron av en hög koncentration av defekter, att producera petroleumprodukter med reducerad svaveldioxid (SO 2 ) utsläpp. Å andra sidan, att ha ett orört material är ett måste inom elektronik. För närvarande, kisel styr branschen, eftersom den kan förberedas på ett praktiskt taget defektfritt sätt. När det gäller MoS 2 , dess lämplighet för elektroniska applikationer är för närvarande begränsad av förekomsten av naturligt förekommande defekter. Än så länge, den exakta kopplingen mellan dessa defekter och de försämrade egenskaperna hos MoS 2 har varit en öppen fråga.
I IBS, ett team av fysiker, materialvetare, och elektriska ingenjörer arbetade nära tillsammans för att utforska de elektroniska egenskaperna för svavelvakanser i MoS 2 monoskikt, med hjälp av en kombination av atomkraftsmikroskopi (AFM) och brusanalys. Forskarna använde en metallisk AFM-spets för att mäta brussignalen, dvs. variationen av elektrisk ström som passerar genom ett enda lager av MoS 2 placeras på ett metallsubstrat.
De vanligaste defekterna vid MoS 2 är exempel på saknade enstaka svavelatomer, även känd som svavel monovacancies. I ett perfekt prov, varje svavelatom har två valenselektroner som binder till två molybdenelektroner. Dock, där en svavelatom saknas, dessa två molybdenelektroner lämnas omättade, definierar det neutrala tillståndet (0-tillståndet) för defekten. Dock, teamet observerade snabba växlingshändelser i sina bullermätningar, som indikerar tillståndet för den vakans som växlas mellan neutral (0-tillstånd) och laddad (-1-tillstånd).
Den översta grafen illustrerar växlingsprocesserna mellan den neutrala nivån (0-tillstånd) och den laddade nivån (-1-tillstånd) som inträffar när en elektron (röd cirkel) från den strömmande strömmen fångas (överst till vänster) eller släpps (överst till höger) vid svavelvakansdefekten (markerad med grön cirkel). Den nedre grafen visar växlingshändelser i strömmen som inträffar när elektroner från strömmen passerar genom MoS 2 prov är fångade vid den lediga tjänsten, eller befrias från den lediga tjänsten. Kredit:IBS
"Växlingen mellan 0 och -1 sker kontinuerligt. Medan en elektron vistas på den lediga tjänsten ett tag, det saknas från strömmen, så att vi observerar en strömfall, " förklarar Michael Neumann, en av de första författarna till studien. "Detta går långt för att förstå de kända anomalierna hos MoS 2 , och det är mycket intressant att enbart svavelvakanser är tillräckligt för att förklara dessa anomalier, utan att kräva mer komplexa defekter." Enligt experimenten och tidigare beräkningar, två elektroner kan också fångas vid ledigheten (-2 tillstånd), men detta verkar inte vara energiskt gynnat.
Den nya observationen att svaveltillgångar kan laddas (-1 och -2 stater) belyser flera MoS 2 anomalier, inklusive dess reducerade elektronrörlighet observerad i MoS2-monolagerprover:elektroner rör sig i riktningen för en applicerad spänning, men blir utspridda av laddade defekter. "Staten -1 är ockuperad cirka 50% av tiden, vilket skulle leda till spridning av elektroner, och därmed förklara varför MoS 2 har så dålig rörlighet, "klargör Neumann. Övrigt MoS 2 egenskaper som kan förklaras av denna studie är n-typ dopning av MoS 2 , och det oväntat stora motståndet vid MoS 2 -metallkorsning.
"Denna forskning öppnar möjligheten att utveckla en ny bullernanospektroskopi-enhet som kan kartlägga en eller flera defekter i nanoskala över ett stort område av ett 2-D-material, " avslutar motsvarande författare Young Hee Lee.
Hela studien finns tillgänglig på Naturkommunikation .
