[논문 리뷰] Electronic Properties of Electroactive Ferrocenyl-Functionalized MoS2

Trung Nghia Nguyên Lê, K. Kondratenko외 7명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 16.

2D Materials and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 페로센 기능화된 MoS2가 산화환원 스위칭을 통해 전자 이동성을 조절 가능함을 보여주며, 도핑된 전도성-AFM 및 DFT 분석을 통해 MoS2 금역간의 약 0.4–0.6 eV 아래에 페로센 HOMO 상태가 존재함을 규명하였다. 플라즈마 처리를 통한 결함 복구 및 이후 페로센 접합은 S-빈점 상태를 억제하여 산화환원 활성 분자를 통한 제어된 전하 이동을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

The attachment of redox active molecules to transition metal dichalcogenides (TMDs), such as MoS2, constitutes a promising approach for designing electrochemically switchable devices through the control of the material charge/spin transport properties by the redox state of the grafted molecule and thus the applied electrical potential. In this work, defective plasma treated MoS2 is functionalized by a ferrocene derivative and thoroughly investigated by various characterization techniques, such as Raman, photoluminescence, X-ray photoelectron spectroscopies, atomic force microscopy (AFM) and electrochemistry. Furthermore, in-plane and out-of-plane conductive-AFM measurements (I-V and first derivative dI/dV-V curves) are measured to investigate the effect of the chemical functionalization of MoS2 on the electron transport properties. While the conduction and valence bands are determined at +0.7 and -1.2 eV with respect of the electrode Fermi energy for pristineMoS2, additional states in an energy range of ca. 0.45 eV below the MoS2 conduction band are measured after plasma treatment, attributed to S-vacancies. For ferrocene functionalized MoS2, the S-vacancy states are no longer observed resulting from the defect healing. However, two bumps at lower voltages in the dI/dV-V indicate a contribution to the electron transport through ferrocene HOMO, which is located in the MoS2 band gap at ca. 0.4-0.6 eV below the Fermi energy. These results are in good agreement with theoretical density functional theory (DFT) calculations and UV photoelectron spectroscopy (UPS) measurements.

연구 동기 및 목표

• 페로센 기능화된 MoS2의 전자적 성질 및 전하 이동 특성을 전기화학적으로 스위칭 가능한 장치를 위해 연구하기 위해.
• 산화환원 활성 페로센 접합이 결함이 있는 MoS2의 전자 구조에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 실험적 도핑된 전도성-AFM 측정치와 DFT 계산 및 UPS 데이터를 연계하여 에너지 준위 정렬을 검증하기 위해.
• S-빈점과 결함 복구가 2차원 반도체에서 전자 이동을 조절하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 향후 장치 설계를 위한 MoS2-Fc/전극 접합의 신뢰할 수 있는 전자 에너지 다이어그램을 수립하기 위해.

제안 방법

• 플라즈마 처리를 통해 MoS2의 S-빈점을 유도하고 이후 기능화를 위한 반응성을 향상시키기 위해.
• 빈점 부위에서 티올-황 결합을 통해 6-(페로센일)헥산티올을 결함이 있는 MoS2에 공유 결합 접합하기 위해.
• 도핑된 전도성-AFM(C-AFM) 측정을 통해 평면 및 수직 방향의 전류-전압(I–V) 및 첫 번째 도함수(∂I/∂V) 특성 맵핑하기 위해.
• 화학 조성과 구조적 변화를 확인하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS) 및 라만 분광법을 사용하기 위해.
• 가치대역 경계를 결정하고 페로센의 HOMO 상태를 MoS2 금역간 내에서 식별하기 위해 자외선 광전자 분광법(UPS)을 사용하기 위해.
• 전자 구조를 모델링하고 실험 관측치를 검증하기 위해 밀도기반함수이론(DFT) 계산을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈마 유도 S-빈점 형성이 MoS2의 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 C-AFM로 측정한 바탕으로 페로센 접합이 MoS2의 전하 이동 특성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 페로센 HOMO는 MoS2 금역간 가장자리에 비해 어디에 위치해 있으며, 전자 이동에 기여하는가?
• RQ4 실험적 C-AFM 및 UPS 데이터는 DFT 예측 에너지 준위와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 페로센 기능화가 S-빈점 결함을 얼마나 효과적으로 복구시키며, MoS2의 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 플라즈마 처리는 MoS2 금역간의 약 0.45 eV 아래에 전자 상태를 생성하였다.
• 페로센 접합은 S-빈점 상태를 제거하여 공유 결합을 통한 효과적인 결함 복구를 나타내었다.
• C-AFM 측정치는 낮은 전압에서 ∂I/∂V–V 곡선에 두 개의 별도된 도전성 피크를 보여주어 페로센 HOMO를 통한 전자 이동을 시사하였다.
• 페로센 HOMO는 MoS2 금역간 내에서 약 0.4–0.6 eV 아래에 위치해 있으며, DFT 및 UPS 측정치로 모두 확인되었다.
• UPS 측정치는 MoS2 금역간 내에서 중성 페로센의 검출 가능한 HOMO 피크를 보이지 않아 대부분의 페로센이 산화된 Fc+ 상태에 있음을 나타내었다.
• DFT 계산치는 실험적 C-AFM 및 UPS 데이터와 양호한 일치를 보였으며, MoS2-Fc 복합체의 에너지 준위 정렬이 검증되었다.