[논문 리뷰] Large and tunable photo-thermoelectric effect in single-layer MoS2

Michele Buscema, Maria Barkelid외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 06.

2D Materials and Applications참고 문헌 3인용 수 54

한 줄 요약

이 연구는 단일층 MoS2 필드효과 트랜지스터에서 큰 전기적 테이너블 광열전기 효과를 입증한다. 여기서 광전류는 슈트키 고리에서의 전자-정공 분離가 아니라 열기울기로 인한 시베크 효과에 의해 지배된다. 게이트 전압을 통해 시베크 계수는 -400 μV/K에서 -100,000 μV/K 범위로 조절 가능하며, 이는 칩 내 열전력 생성 및 폐열 수확에 잠재적인 응용 가능성을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일층 MoS2 필드효과 트랜지스터에서 광전류 생성의 주요 메커니즘을 조사하는 것.
• 단일층 MoS2에서 광열전기 효과가 아닌 슈트키 고리에 의한 전하 분리가 지배적인지 여부를 규명하는 것.
• 외부 전기장 하에서 단일층 MoS2의 시베크 계수를 측정하고 조절하는 것.
• 단일층 MoS2가 칩 내 열전력 생성 및 열에너지 수확에 얼마나 유망한지 평가하는 것.

제안 방법

• 스캐닝 광전류 현미경을 사용하여 단일층 MoS2 필드효과 트랜지스터의 공간적으로 해상도가 높은 광전류를 매핑하였다.
• 통제된 열기울기 하에서 측정된 광전류로부터 시베크 계수를 추출하였다.
• 운반체 밀도를 조절하고 시베크 계수를 조절하기 위해 게이트 전압을 적용하였다.
• 이론적 모델과의 비교를 통해 슈트키 고리에 의한 전하 분리 기여도를 평가하였다.
• 광발전 효과의 주요 기여를 배제하기 위해 지원 데이터 및 제어 실험을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 MoS2 필드효과 트랜지스터에서 광전류 생성의 주요 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ2 단일층 MoS2에서 시베크 계수는 얼마나 전기적으로 조절할 수 있나요?
• RQ3 단일층 MoS2의 광열전기 효과는 다른 반도체에서의 전통적인 광발전 메커니즘과 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ4 큰, 조절 가능한 시베크 계수로 인해 열에너지 수확 응용 분야에서 실용적인 응용이 가능할 수 있나요?

주요 결과

• 단일층 MoS2의 광응답은 주로 슈트키 고리에 의한 전하 분리가 아니라 광열전기 효과에 의해 주로 유도된다.
• 단일층 MoS2에서 시베크 계수는 게이트 전압 조절을 통해 최대 -400 μV/K에서 -100,000 μV/K 범위로 조절 가능하다.
• 큰, 조절 가능한 시베크 계수는 광학적 자극 하에서 강한 열전기 반응을 나타낸다.
• 관측된 효과는 여러 장치에서 우수한 복원성과 견고성을 보이며, 광열전기 반응의 본질적 성격을 확인한다.
• 결과는 단일층 MoS2가 칩 내 열전력 생성 및 폐열 복구 응용 분야에서 유망한 후보임을 시사한다.