[논문 리뷰] 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)|2017. 11. 14.

2D Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 2차원 반도체인 흑색 황화백금, MoS2, ReS2와 같은 물질에서 큰 결함 이온화 에너지(IE)가 차원성 효과로 인해 발생함을 설명한다: 양자 구속이 중성 결함 준위를 깊게 만들고, 감소한 스크리닝은 전자적 회복 에너지 비용을 증가시킨다. 밀도 함수 이론(DFT) 기반의 첫 번째 원리 계산은 이러한 효과가 화학 도핑을 억제하지만, h-BN에 둘러싸임 또는 유전체 매립을 통해 스크리닝을 향상시켜 이온화 에너지를 낮출 수 있음을 보여주며, 이는 효과적인 실리콘 도핑을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2차원 반도체에서 효과적인 화학 도핑을 방해하는 높은 결함 이온화 에너지(IE)의 기본 원인을 이해하는 것.
• 감소한 차원성—특히 양자 구속과 감소한 스크리닝—이 큰 IE의 근본 원인임을 규명하는 것.
• 2차원 물질에서 전자 스크리닝을 향상시켜 IE를 낮추는 실용적 전략을 제안하는 것.
• h-BN 봉입과 같은 유전체 환경 공학을 통해 실리콘 농도를 향상시킬 수 있는지의 가능성을 입증하는 것.
• 다양한 2차원 반도체에 적용 가능한 일반적인 프레임워크를 제공하는 것 (다른 계면 상호작용을 가진 물질들에 대해)

제안 방법

• 흑색 황화백(BP), MoS2, ReS2의 단층, 소수층, 고체 형태에서 첫 번째 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 결함 이온화 에너지(IE)는 세 가지 기여도로 분해되었다: 중성 단일 전자 결함 준위 에너지, 구조적 완화 에너지 수익, 전자적 완화 에너지 비용.
• 분석을 통해 양자 구속 효과(QCE)가 결함 준위를 깊게 하고, 감소한 스크리닝 효과(RE)가 전자적 완화 비용을 증가시키는 영향를 분리하여 분석하였다.
• 차원성 효과를 체계적으로 탐색하기 위해 강한(BP), 중간(MoS2), 약한(ReS2) 계면 상호작용을 가진 물질을 비교하였다.
• 스크리닝 향상 효과를 평가하기 위해 h-BN 봉입 및 유전체 연속체 매립과 같은 실용적 구성 모델을 구축하였다.
• 정확한 결함 준위 예측을 위해 하이브리드 함수형과 스핀 균형 계산을 사용하여 전자 구조 및 결함 성질을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 2차원 반도체는 화학 도핑 효율을 저하시키는 높은 결함 이온화 에너지를 나타내는가?
• RQ2 저차원 시스템에서의 양자 구속과 감소한 스크리닝은 어떻게 결함 이온화 에너지를 증가시키는가?
• RQ3 h-BN 봉입과 같은 유전체 환경가 결함 이온화 에너지를 얼마나 낮출 수 있는가?
• RQ4 다른 계면 상호작용(예: BP, MoS2, ReS2)을 가진 물질의 결함 거동은 일반적인 차원성 억제 경향을 어떻게 반영하는가?
• RQ5 스크리닝 공학 전략은 2차원 반도체에서 결함 IE를 효과적으로 낮추고 실리콘 농도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 감소한 스크리닝과 양자 구속 효과로 인해 2차원 단층에서의 결함 이온화 에너지(IE)는 고체 상태보다 현저히 높다.
• 양자 구속은 중성 단일 전자 결함 준위를 깊게 하여 결함을 이온화하기 위한 에너지를 증가시킨다.
• 감소한 스크리닝은 큰 전자적 완화 에너지 비용을 초래하며, 이는 저차원 시스템에서 IE를 더욱 높인다.
• IE의 순서는 BP > MoS2 > ReS2이며, 이는 계면 상호작용 강도 감소와 함께 차원성 억제가 증가하는 데에 상응한다.
• h-BN에 봉입되거나 유전체 연속체에 매립되면 스크리닝이 향상되어 결함 IE가 감소하며, 이는 전자적 완화 비용을 낮춘다.
• 이 연구는 유전체 환경 공학을 통해 효과적인 실리콘 도핑을 달성할 수 있음을 입증한다.