[论文解读] 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 5

一句话总结

本文解释了二维半导体（如黑磷、MoS2和ReS2）中大缺陷电离能（IEs）的成因：维度效应导致量子限制使中性缺陷能级下移，而屏蔽效应减弱则增加了电子弛豫能成本。第一性原理计算表明，这些效应抑制了化学掺杂，但通过六方氮化硼（h-BN）封装或介质嵌入可增强屏蔽效应并降低电离能，从而实现有效的载流子掺杂。

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.

研究动机与目标

• 理解阻碍有效化学掺杂的二维半导体中高缺陷电离能（IEs）的根本成因。
• 明确降低维数——特别是量子限制和屏蔽效应减弱——作为大IEs的根本原因。
• 提出通过增强二维材料中电子屏蔽来降低IEs的实际策略。
• 通过六方氮化硼（h-BN）封装等方法，证明通过介质环境工程改善载流子浓度的可行性。
• 为具有不同层间相互作用的多种二维半导体提供普适性框架。

提出的方法

• 对黑磷（BP）、MoS2和ReS2的单层、少层和体相结构进行了第一性原理密度泛函理论（DFT）计算。
• 将缺陷电离能（IE）分解为三个贡献项：中性单电子缺陷能级能量、结构弛豫能量收益和电子弛豫能成本。
• 分析分离了量子限制效应（QCE）对缺陷能级下潜的影响以及屏蔽效应减弱（RE）对电子弛豫成本增加的影响。
• 通过比较具有强（BP）、中等（MoS2）和弱（ReS2）层间相互作用的材料，系统地探究了维度效应。
• 建模了h-BN封装和介质连续体嵌入等实际结构，以评估屏蔽增强效应。
• 采用杂化泛函和自旋极化计算精确计算电子结构和缺陷性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何二维半导体表现出抑制化学掺杂效率的高缺陷电离能？
• RQ2 低维体系中的量子限制和屏蔽效应减弱如何导致缺陷电离能升高？
• RQ3 介质环境（如h-BN封装）在多大程度上可降低二维材料中的缺陷电离能？
• RQ4 具有不同层间相互作用（BP、MoS2、ReS2）的材料中缺陷行为如何反映维度抑制的一般趋势？
• RQ5 屏蔽工程策略能否有效降低缺陷IEs并增强二维半导体中的载流子浓度？

主要发现

• 由于屏蔽效应减弱和量子限制效应，缺陷电离能（IE）在二维单层中显著高于体相材料。
• 量子限制使中性单电子缺陷能级下移，增加了缺陷电离所需的能量。
• 屏蔽效应减弱导致电子弛豫能成本显著增加，进一步提高了低维体系中的IE。
• IE在材料中的趋势（BP > MoS2 > ReS2）与层间作用强度减弱和维度抑制增强相关。
• h-BN封装或介质连续体嵌入可通过增强屏蔽效应降低缺陷IE，从而减少电子弛豫成本。
• 本研究证明，通过工程化介质环境是实现二维半导体中有效载流子掺杂的可行途径。