[論文レビュー] Large and tunable photo-thermoelectric effect in single-layer MoS2

Michele Buscema, Maria Barkelid+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2013

2D Materials and Applications参考文献 3被引用数 54

ひとこと要約

本研究では、単層モリブデンディチリド（MoS2）のフィールド効果トランジスタにおいて、熱勾配に起因するセーベック効果による光電流が支配的であり、ショットキー準位における電子-ホール分離とは異なる、大規模かつ電気的に調整可能な光熱電効果を示した。ゲート電圧によって、-400 μV/K から -100,000 μV/K の範囲でセーベック係数を調整可能であり、オンチップ熱電力生成および廃熱回収への応用が可能である。

ABSTRACT

We study the photoresponse of single-layer MoS2 field-effect transistors by scanning photocurrent microscopy. We find that, unlike in many other semiconductors, the photocurrent generation in single-layer MoS2 is dominated by the photo-thermoelectric effect and not by the separation of photoexcited electron-hole pairs across the Schottky barriers at the MoS2/electrode interfaces. We observe a large value for the Seebeck coefficient for single-layer MoS2 that, by an external electric field, can be tuned between -4x10^2 uV/K and -1x10^5 uV/K. This large and tunable Seebeck coefficient of the single-layer MoS2 paves the way to new applications of this material such as on-chip thermopower generation and waste thermal energy harvesting.

研究の動機と目的

• 単層MoS2フィールド効果トランジスタにおける光電流生成の支配的メカニズムを調査すること。
• 単層MoS2において、光熱電効果とショットキー準位に起因する電荷分離のどちらが支配的であるかを特定すること。
• 外部電場下での単層MoS2におけるセーベック係数の測定と調整を行うこと。
• 単層MoS2がオンチップ熱電力生成および熱エネルギー回収にどの程度適しているかを評価すること。

提案手法

• 空間的に分解能の高い光電流マッピングを実現するため、走査光電流顕微鏡を用いて単層MoS2フィールド効果トランジスタの光電流を測定した。
• 制御された熱勾配下での測定光電流からセーベック係数を抽出した。
• キャリア密度を調整し、セーベック係数をゲート電圧でチューニングした。
• 理論モデルと照らし合わせて、ショットキー準位に起因する電荷分離の寄与を評価した。
• 光起電力効果が支配的でないことを確認するため、補足データおよび制御実験を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層MoS2フィールド効果トランジスタにおける光電流生成の支配的メカニズムは何か？
• RQ2 単層MoS2におけるセーベック係数は、どの程度電気的にチューニング可能か？
• RQ3 単層MoS2における光熱電効果は、他の半導体における従来の光起電力メカニズムと比べてどのように異なるか？
• RQ4 大規模かつ調整可能なセーベック係数は、熱エネルギー回収の実用的応用を可能にするか？

主な発見

• 単層MoS2における光応答は、主にショットキー準位に起因する電荷分離ではなく、光熱電効果に起因している。
• 単層MoS2におけるセーベック係数は、ゲート電圧の調整によって最大で-400 μV/K から -100,000 μV/K の範囲にまで調整可能である。
• 大規模かつ調整可能なセーベック係数は、光励起下での強い熱電気的応答を示している。
• 観察された効果は、複数のデバイスで一貫しており、光熱電応答が本質的（intrinsically）であることを確認している。
• 結果から、単層MoS2はオンチップ熱電力生成および廃熱回収応用に有望な候補であると示唆されている。