帝國理工學院大牛Johannes Lischner Scientific Reports：通過缺陷電荷調節過渡金屬硫屬化物的電子性質

【前言】

自從石墨烯被發現以來，基于二維(2D)材料的超薄器件的開發已經引起了科研人員極大的興趣。與在未摻雜時是具有半金屬性的石墨烯相反，過度金屬硫屬化物具有化學式MX₂ (M?=?Mo, W; X?=?S, Se, Te)是具有直接帶隙的半導體。單層TMDs已經被用作場效應晶體管和微處理器中的溝道材料，以及太陽能電池中的吸收層和傳感器，并取得了具有可觀前景的結果。

在實際條件下，缺陷對器件的性能起著至關重要的作用。類似于傳統的塊體半導體，具有淺施主或受主狀態的雜質可以用于通過缺陷工程控制TMDs中的載流子濃度。吸附的原子和分子在TMD中是一類有前景的雜質，因為它們傾向于僅僅微弱地擾動TMD襯底的原子結構，從而限制了可能由雜質散射或俘獲導致的載流子遷移率的退化。

對TMDs上帶電吸附物性質的詳細理論理解對于新器件的合理設計很重要。一方面，許多課題組已經使用ab initio密度泛函理論(DFT)來研究吸附的原子和分子與TMDs的相互作用。這種計算產生了關于吸附幾何形狀、吸附質結合能和電荷轉移的重要材料特有的見解。然而，ab initio計算在可以考慮的系統的尺寸方面受到限制(通常包含多達幾百或幾千個原子)，這些系統太小，無法描述淺缺陷狀態的特性，這些淺缺陷狀態可以延伸到100或更多，正如最近使用掃描隧道光譜(STS)觀察到的石墨烯中的庫侖雜質

另一方面，連續電子結構方法，如石墨烯的Dirac理論或體半導體的有效質量理論，可以描述擴展雜質態的行為，但需要來自實驗或ab initio計算的參數，如費米速度、有效質量，更重要的是，缺陷勢通常被主體材料的電子屏蔽。

【成果簡介】

近日，來自英國帝國理工學院的Johannes Lischner教授（通訊作者）在Scientific Reports 發文，題為：Tuning electronic properties of transition-metal dichalcogenides via defect charge。作者證明二硫化鉬的電子結構敏感地依賴于缺陷電荷。作者利用篩選缺陷電位的大規模緊束縛模擬研究帶電缺陷引起的淺束縛態，并觀察最低位雜質態的軌道特性隨雜質電荷的變化。為了獲得進一步的理解，作者使用有效質量理論分析了源自TMD能帶結構不同谷的雜質態的競爭，發現雜質態結合能受相應谷的有效質量控制，但是由于缺陷勢的非常規篩選，雜質態結合能與氫的行為存在顯著偏差。

【圖文導讀】

圖1. 屏蔽電勢

與未屏蔽的庫侖電勢(紅色虛線)相比，強度Z=1 (藍色實線)的位于MoS₂中Mo原子上方d?=?2??的帶電原子的RPA屏蔽電勢；

圖2. 束縛雜質態的平方波函數

(a–e)束縛雜質態的平方波函數(帶有RPA屏蔽電勢的TB模型)，對于放置在Mo位點上方2??的雜質電荷Q = - 0.3e。

圖3. 緊束縛帶結構

(a)1s?(K/K′) (藍色)和1s?(Γ) (綠色)雜質態的結合能E_b?=?E???E_VBM，作為緊密結合計算(實線)和有效質量近似( EMA ) (虛線)中MoS₂上帶負電荷原子的原子電荷Z的函數。

(b)緊束縛帶結構，其中具有自旋向上(自旋向下)特征的帶是紅色(藍色)。

圖4. 振蕩模式

(a–h)雜質電荷Q = + 0.3e的束縛雜質態的平方波函數；

(i)雜交1s?(K/K′) (綠色和藍色)和1s (Q) (品紅色)雜質態的結合能E_b，作為來自TB (實線)和EMA (虛線)的MoS₂上帶正電荷的原子的原子電荷Z的函數。

圖5. 緊密結合的LDOS

(a,b)靠近(a)價帶和(b)導帶邊緣的二氧化硅(+二氧化硅襯底)上鋰(Li)原子的LDOS；

(c,d)靠近(c)價帶和(d)導帶邊緣的二氧化硅(+二氧化硅襯底)上碳(C)原子的LDOS；

【總結】

作者研究了過渡金屬硫屬化合物中帶電缺陷的電子性質。通過對包含多達8000個原子的單元晶胞進行篩選雜質勢的緊密結合模擬，作者計算了淺雜質束縛態的結合能和波函數。作者的關鍵發現是，最低位雜質態的軌道特性敏感地取決于缺陷電荷的大小。對于受體狀態，即帶負電荷的缺陷，在Q =-0.32 e的臨界缺陷電荷(其中e是質子電荷)處出現具有不同軌道特征的雜質狀態的交叉。為了理解不同雜質態之間的競爭，作者使用有效質量理論分析它們的性質，發現雜質結合能可以用缺陷電荷的冪律來描述，但是由于屏蔽，與氫的行為有顯著的偏差。重要的是，冪律的前導是由有效質量決定的，TMD帶結構在不同谷中有效質量的顯著差異提供了交叉觀察的可能。因此，作者的計算將缺陷電荷確定為通過缺陷工程來調諧TMDs電子結構的重要控制參數。

文獻鏈接：Tuning electronic properties of transition-metal dichalcogenides via defect charge, (Scientific Reports, 2018, DOI: 10.1038/s41598-018-31941-1)

本文由材料人計算組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu