[論文レビュー] Dimensionality-suppressed chemical doping in 2D semiconductors: the cases of phosphorene, MoS2, and ReS2 from first-principles

Ji‐Hui Yang, Yakobson, Boris. I.|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2017

2D Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ブラックホワイトフォスファレン、MoS2、ReS2などの2次元半導体における大きな欠陥イオン化エネルギー（IE）が次元性効果に起因することを説明している。量子閉じ込め効果により中性欠陥準位が深くなり、スクリーニングが減少することで電子的リラクゼーションエネルギーのコストが上昇する。第一原理計算により、これらの効果が化学ドーピングを抑制することが示されたが、h-BNによるカプセル化や誘電体埋め込みによってスクリーニングが向上し、IEが低下し、効果的なキャリアドーピングが可能になることが明らかになった。

ABSTRACT

In spite of great appeal of two-dimensional (2D) semiconductors for electronics and optoelectronics, to achieve required charge carrier concentrations by means of chemical doping remains a challenge, due to large defect ionization energies (IEs). Here by decomposing the defect IEs into the neutral single-electron defect level, the structural relaxation energy gain, and the electronic relaxation energy cost, we propose a conceptual picture that the large defect IEs are caused by two effects of reduced dimensionality. While the quantum confinement effect (QCE) makes the neutral single-electron point defect levels deep, the reduced screening effect (RE) leads to high energy cost for the electronic relaxation. The first-principles calculations for monolayer, few-layer, and bulk black phosphorus (BP), MoS2, and ReS2 with strong, medium, and weak interlayer interactions, respectively, as examples, do demonstrate the general trend. Based on the gained insight into defect behaviors, strategies can be envisaged for reducing defect IEs and improving charge carrier doping. Using BP monolayer either embedded into dielectric continuum or encapsulated between two h-BN layers, as practical examples, we demonstrate the feasibility of increasing the screening to reduce the defect IEs and boost carrier concentration. Our analysis is expected to help achieving effective carrier doping and thus to open ways towards more extensive applications of 2D semiconductors.

研究の動機と目的

• 2次元半導体における高い欠陥イオン化エネルギー（IE）の根本的起源を理解すること。
• 低次元性、特に量子閉じ込め効果とスクリーニングの低下が、大きなIEを引き起こす根本的要因であることを特定すること。
• 2次元材料における電子的スクリーニングを強化することでIEを低下させる実用的戦略を提案すること。
• h-BNカプセル化などの誘電環境工学によって、キャリア濃度の向上が可能であることを実証すること。
• 異なる層間相互作用を示す多様な2次元半導体に一般化可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• ブラックホワイトフォスファレン（BP）、MoS2、ReS2の単層、数層、およびバルク構造に対して、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 欠陥イオン化エネルギー（IE）を、中性状態の単一電子欠陥準位エネルギー、構造的リラクゼーションエネルギーの獲得、電子的リラクゼーションエネルギーのコストの3つの寄与に分解した。
• 量子閉じ込め効果（QCE）が欠陥準位を深くする影響と、スクリーニングの低下（RE）が電子的リラクゼーションコストを上昇させる影響を分離して分析した。
• 系の次元性効果を体系的に調査するため、強い（BP）、中程度の（MoS2）、弱い（ReS2）層間相互作用を有する材料を比較した。
• h-BNカプセル化や誘電体連続体埋め込みといった実用的配置をモデル化し、スクリーニング強化効果を評価した。
• 欠陥準位予測の正確性を確保するため、ハイブリッド関数法とスピン極化計算を用いて電子構造および欠陥特性を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ2次元半導体は化学ドーピング効率を低下させる高い欠陥イオン化エネルギーを示すのか？
• RQ2 低次元系における量子閉じ込め効果とスクリーニングの低下は、どのように欠陥イオン化エネルギーの上昇に寄与するのか？
• RQ3 h-BNカプセル化などの誘電環境は、2次元材料における欠陥イオン化エネルギーをどの程度低減できるのか？
• RQ4 層間相互作用の強さが異なる材料（BP、MoS2、ReS2）における欠陥行動は、次元性抑制の一般的な傾向をどのように反映しているのか？
• RQ5 スクリーニング工学戦略は、2次元半導体における欠陥IEを効果的に低下させ、キャリア濃度を向上させることができるのか？

主な発見

• 2次元単層では、バルクに比べてスクリーニングの低下と量子閉じ込め効果により、欠陥イオン化エネルギー（IE）が顕著に高くなる。
• 量子閉じ込め効果により、中性状態の単一電子欠陥準位が深くなり、欠陥のイオン化に必要なエネルギーが増加する。
• スクリーニングの低下により、電子的リラクゼーションエネルギーのコストが大きく上昇し、低次元系ではIEがさらに上昇する。
• 材料間のIE順序（BP > MoS2 > ReS2）は、層間相互作用の強度低下と次元性抑制の増加と相関している。
• h-BNカプセル化または誘電体連続体埋め込みにより、スクリーニングが向上し、欠陥IEが低下し、電子的リラクゼーションコストが低減される。
• 本研究では、誘電環境の工学的制御が2次元半導体における効果的キャリアドーピングへの実現可能性を示した。