缪峰教授合作团队在二维材料层间相互作用调控研究领域取得进展

缪峰教授合作团队二维材料层间相互作用调控研究领域取得进展


  过渡金属硫族化合物(MX2M=过渡金属X=硫族元素因其独特和丰富的物理性质成为二维材料研究领域最关注的材料家族之一在这类层状材料中,层间相互作用是决定其物性的其中一个重要参数。例如,具有强相互作用的PtSe2电子结构强烈地依赖于层数变化,当从体块减薄为少层时呈现出半金属-半导体的转变但是对于具有弱层间相互作用的ReS2,其物性几乎不随着层数减小发生相应的变化。因此,寻找合适的手段这类材料层间相互作用进行调控,将有望进一步实现对材料的物性调控与器件应用这也成为二维材料研究领域备受关注的挑战之一。

针对上述挑战,近日南京大学物理学院梁世军副研究员缪峰教授与南方科技大学林君浩教授课题组合作提出利用替位掺杂策略介导层间化学键从而实现双层MoS2层间相互作用调控该工作有望为层间相互作用调控研究提供一种新思路。相关研究成果以《Tuning Electrical Conductance in Bilayer MoS2 through Defect-Mediated Interlayer Chemical Bonding利用缺陷介导的层间化学键调控双层MoS2中的电导)为题于2020710日发表美国化学学会期刊ACS Nano》上 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03665 物理学院博士生张利利和南方科技大学博士生王刚张玉波博士论文共同第一作者,缪峰教授、梁世军副研究员南方科技大学物理系林君浩教授为该工作的共同通讯作者,该工作同时得到了南京大学万贤纲教授课题组南方科技大学张文清教授的帮助,和国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目的资助,以及微结构科学与技术协同创新中心的支持。

实验中,研究团队首先利用MoO3V2O5之间的固相反应制备出了Mo6V9040,作钒(V掺杂MoS2前驱体;然后利用化学气相沉积法(CVD批量合成双层V掺杂MoS2样品通过低压球差校正透射电镜和拉曼等表征手段证实V原子通过随机取代Mo原子成功实现对MoS2的掺杂,且发现上下层材料之间存在一个掺杂浓度差。为了研究V掺杂对双层MoS2层间相互作用的影响,研究团队选择在同一个V掺杂双层MoS2的单层区域和双层区域分别蒸镀电极以研究不同区域的电学性质器件结构如图1ab所示研究团队通过电学测试手段发现V掺杂MoS2单层区域呈现出双极性场效应特征双层区域呈现出p掺杂电学性质且双层样品电导率比单层样品的电导率增强3量级以上如图1cd所示与之完全不同的是,利用相同条件制备的未掺杂单层和双层MoS2器件则呈现出非常类似n场效应特征和相近的电导率如图1ef所示为了理解观察到的实验现象,研究团队进一步V掺杂的单层MoS2V掺杂的双层MoS2进行了第一性原理计算。计算结果表明,V掺杂单层MoS2带隙中引入了主要由V-3d轨道(以及Mo-4d轨道)形成的缺陷能级,在实空间中这些电子态局域化程度很高,因此不参与导电(如图2a-b所示)。不同于单层情况V掺杂在双层MoS2的价带顶附近引入了大量间隙态(gap states。这些态激活了S-3pz轨道使其形成能够贡献导电带边电子态这些面外S-3pz轨道不仅在能量上有较大的展宽,在实空间中也得到了极大的扩展,形成了额外的层间通道,大幅增强了其电导率。

该工作为研究二维过渡金属硫族化合物层间相互作用的调控提供了新的思路,也为设计基于可调层间相互作用的新原理电子器件提供了物理基础。


1. a)器件结构示意图和(b)器件光学照片图;V掺杂(c)单层和(d)双层MoS2的场效应曲线,Vds=1 V;未掺杂(e)单层和(f)双层MoS2的场效应曲线,Vds=1 V


2. V掺杂(ab)单层和(cd)双层MoS2的能带结构,态密度和带边电荷分布。



论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03665

缪峰团队主页:https://nano.nju.edu.cn/