加入一个碳原子，就可以转变二维半导体材料！宾夕法尼亚州立大学研究人员称，一种将碳-氢分子引入半导体材料二硫化钨的单个原子层技术，极大地改变了这种材料的电子特性。可以用这种材料为节能光电设备和电子电路制造新型元件。论文的第一作者材料科学与工程博士生张福(音译)说：我们已经成功地将碳元素引入半导体材料的单层中，其研究2019年5月24日发表在《科学进展》(science Advances上。
在加入碳原子之前，半导体是一种过渡金属二卤代烃(TMD)，是n型电子导电体。用碳原子代替硫原子后，这种单原子厚的材料产生了双极效应、p型空穴支和n型支。这就产生了双极性半导体。毛里西奥·特隆斯(Mauricio Terrones)是一名资深作家，也是物理、化学和材料科学与工程领域的杰出教授。一旦材料被高度掺杂碳，研究人员就能产生具有很高载流子迁移率的简并p型。可以制造出n+/p/n+和p+/n/p+结，它们具有这种半导体所没有的特性，在应用方面，半导体被用于工业中的各种设备。
（博科园-图示）等离子体辅助碳氢化合物掺杂在WS2晶格中的示意图。图片：Fu Zhang/Penn State
在这种情况下，这些设备中的大多数将是不同种类的晶体管，笔记本电脑里大约有100万亿个晶体管。这种材料也可能对电化学催化有好处，可以提高半导体的导电性，同时又具有催化活性。由于二维材料掺杂需要在特定的条件下同时进行多个过程，因此在二维材料掺杂领域的研究较少。该团队技术使用等离子体将甲烷裂解的温度降低到752华氏度。与此同时，等离子体必须足够强大，能够把硫原子从原子层中撞出来，并取代一个碳氢单位。要打开单层膜并不容易，然后测量载体的传输也不是件小事。
材料科学与工程系教授兼系主任Susan Sinnott提供了指导实验工作的理论计算。当Terrones和Zhang观察到掺杂这种二维材料正在改变它的光学和电子特性时，sinnott团队预测了最佳掺杂原子并预测了其特性，这与实验相符。测量了不同晶体管中碳取代量不断增加时的载流子输运，观察电导的根本变化，直到完全改变了传导类型从负到正。化学掺杂是改变二维过渡金属双卤代烷(2D-TMDs)电子、化学和光学性质的有效途径。研究采用等离子体辅助方法将碳-氢(CH)单元引入WS2单分子层。
发现ch -基团是将碳引入WS2的最稳定掺杂剂，这使得光致发光光谱显示的能带隙从1.98 eV降低到1.83 eV。像差校正高分辨率扫描透射电镜(AC-HRSTEM)结合第一原理计算的观察结果证实，ch基团合并到WS2中的S空位中。根据电子传输测量，未掺杂的WS2表现出单极n型传导。然而，随着碳掺杂水平的增加，CH-WS2单分子层出现了p分支，并逐渐完全变成p型。因此，嵌入到WS2晶格中的ch基团可以调整其电子和光学特性，该方法可用于其他2D-TMDs器件的高效集成。
