[논문 리뷰] Direct imaging of dopant and impurity distributions in 2D MoS$_2$

Se‐Ho Kim, Joohyun Lim외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 10.

Advanced Materials Characterization Techniques인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 일석다조법 습성화학적 방법으로 합성한 이차원 MoS₂ 나노시트에서 도핑 원소 및 불순물 분포를 원자 프로브 톰그래피를 사용해 직접 영상화한다. Re 도핑된 샘플에서 르henium가 균일하게 분포되어 3.8 at.%로 확인되었고, 경량 원소(C, N, O, Na)와 고형량 원소(V, W)의 局부 농축을 규명하였으며, V와 W는 비도핑된 샘플에서 Mo 원료로부터 유래한다.

ABSTRACT

Molybdenum disulfide (MoS$_2$) nanosheet is a two-dimensional material with high electron mobility and with high potential for applications in catalysis and electronics. We synthesized MoS$_2$ nanosheets using a one-pot wet-chemical synthesis route with and without Re-doping. Atom probe tomography revealed that 3.8 at.% Re is homogeneously distributed within the Re-doped sheets. Other impurities are found also integrated within the material: light elements including C, N, O, and Na, locally enriched up to 0.1 at.%, as well as heavy elements such as V and W. Analysis of the non-doped sample reveals that the W and V likely originate from the Mo precursor.

연구 동기 및 목표

• 화학적으로 합성된 2D MoS₂ 나노시트에서 도핑 원소 및 불순물의 공간 분포를 조사하기 위해.
• 특히 비도핑된 샘플에서 관찰된 미세 불순물의 기원을 규명하기 위해.
• 고해상도 3차원 원자 분석을 통해 Re 도핑된 MoS₂에서 Re 도핑의 균일성과 농도를 결정하기 위해.
• 합성 조건이 2차원 격자에 뜻하지 않은 원소의 도입에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해.
• 전자공학 및 촉매 분야의 응용을 위해 원소 분포를 정량적으로 평가하기 위해.

제안 방법

• 일석다조법 습성화학적 방법을 사용해 도핑 여부에 따라 MoS₂ 나노시트를 합성하였다.
• 원자 프로브 톰그래피(APT)를 활용해 원소 분포의 3차원적, 애초 해상도의 지도를 확보하였다.
• MoS₂ 격자 내에서 Re, C, N, O, Na, V, W의 원자 농도를 정량적으로 분석하였다.
• Re 도핑의 균일성과 불순물의 局부 농축을 평가하기 위해 통계 분석을 수행하였다.
• 비도핑된 샘플과 도핑된 샘플을 비교하여 불순물 기원을 원료 물질으로 추적하였다.
• 3차원 원자 지도를 재구성하고 경량 및 고형량 원소의 군집 또는 분리 현상을 식별하기 위해 데이터 처리를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Re 도핑된 2D MoS₂ 나노시트에서 르henium는 얼마나 균일하게 분포되어 있는가?
• RQ2 MoS₂에서 경량 불순물(C, N, O, Na)의 농도와 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ3 합성 과정 중에 뜻하지 않게 도입되는 원소들은 무엇이며, 그 기원은 무엇인가?
• RQ4 비도핑된 샘플에서 관찰된 불순물 V와 W는 Mo 원료와 어떤 관련이 있는가?
• RQ5 합성 조건이 2D MoS₂의 순도와 도핑 프로파일에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 원자 프로브 톰그래피를 통해 확인된 linely, Re 도핑된 2D MoS₂ 나노시트에서 르henium는 농도 3.8 at.%로 균일하게 분포되어 있다.
• 경량 원소(C, N, O, Na)는 MoS₂ 격자의 특정 영역에서 최대 0.1 at.%까지 국소적으로 농축되어 있다.
• 비도핑된 샘플에서 바나듐(V)과 텅스텐(W) 불순물이 검출되었고, 이는 Mo 원료에서 기인한다.
• 비도핑된 샘플에서 V와 W의 존재는 원료 물질이 뜻하지 않은 원소 도입에 기여함을 시사한다.
• 원자 프로브 톰그래피는 높은 정밀도로 원자 척도에서 도핑 원소 및 미세 불순물 분포를 성공적으로 해상도 해석하였다.
• 이 연구는 APT가 3차원 원자 해상도로 2차원 물질의 원소 분포를 정량적으로 지ap핑하는 데의 능력을 입증하였다.