En teknik som introducerar kol-vätemolekyler i ett enda atomlager av det halvledande materialet volframdisulfid förändrar dramatiskt materialets elektroniska egenskaper, enligt Penn State-forskare vid Penn State som säger att de kan skapa nya typer av komponenter för energieffektiva fotoelektriska enheter och elektroniska kretsar med detta material.

"Vi har framgångsrikt introducerat kolarterna i monoskiktet av det halvledande materialet, sa Fu Zhang, doktorand i materialvetenskap och teknik huvudförfattare till en artikel publicerad online idag i Vetenskapens framsteg .

Innan du dopar – tillsätter kol – halvledaren, en övergångsmetalldikalkogenid (TMD), var n-typ-elektronledande. Efter att ha ersatt kolatomer med svavelatomer, det enatomtjocka materialet utvecklade en bipolär effekt, en p-typ—hål—gren, och en gren av n-typ. Detta resulterade i en ambipolär halvledare.

"Det faktum att du kan ändra egenskaperna dramatiskt genom att lägga till så lite som två atomprocent var något oväntat, "Mauricio Terrones, senior författare och framstående professor i fysik, kemi och materialvetenskap och teknik.

Enligt Zhang, när materialet är mycket dopat med kol, forskarna kan producera en degenererad p-typ med mycket hög bärarrörlighet. "Vi kan bygga n ⁺ /p/n ⁺ och sid ⁺ /n/s ⁺ kopplingar med egenskaper som inte har setts med denna typ av halvledare, " han sa.

När det gäller applikationer, halvledare används i olika enheter inom industrin. I detta fall, de flesta av dessa enheter kommer att vara transistorer av olika slag.

"Denna typ av material kan också vara bra för elektrokemisk katalys, ", sa Terrones. "Du kan förbättra ledningsförmågan hos halvledaren och ha katalytisk aktivitet på samma gång."

Det finns få papper inom området 2D-materialdopning, eftersom det kräver att flera processer äger rum samtidigt under specifika typer av förhållanden. Teamets teknik använder ett plasma för att sänka temperaturen vid vilken metan kan knäckas - delas isär - ner till 752 grader Fahrenheit. På samma gång, plasman måste vara tillräckligt stark för att slå ut en svavelatom ur atomskiktet och ersätta en kol-väteenhet.

"Det är inte lätt att dopa monolager, och då är det inte trivialt att mäta bärartransport, " Terrones säger. "Det finns en sweet spot där vi arbetar. Det krävs många andra saker."

Susan Sinnott, professor och prefekt för institutionen för materialvetenskap och teknik, tillhandahållit teoretiska beräkningar som vägledde det experimentella arbetet. När Terrones och Zhang observerade att dopning av 2D-materialet förändrade dess optiska och elektroniska egenskaper – något de aldrig hade sett förut – förutspådde Sinnotts team den bästa atomen att dopa med och förutspådde egenskaperna, som överensstämde med experimentet.

Saptarshi Das, biträdande professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, och hans grupp, mätte sedan bärartransporten i olika transistorer med ökande mängder kolsubstitution. De såg konduktansen förändras radikalt tills de helt hade ändrat konduktanstypen från negativ till positiv.

"Det var i hög grad ett tvärvetenskapligt arbete, " säger Terrones.

Ytterligare författare på Vetenskapens framsteg papper, med titeln "Koldopning av WS ₂ monolager:bandgap minskning och p-typ doping transport, " inkluderar nuvarande eller tidigare doktorander Yanfu Lu, Daniel Schulman, Tianyi Zhang, Zhong Lin och Yu Lei; och Ana Laura Ellias och Kazunori Fujisawa, biträdande forskarprofessorer i fysik.