[论文解读] Bandgap and doping effects in MoS2 measured by Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Chih-Pin Lu, Guohong Li+3 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2014

Semiconductor materials and interfaces参考文献 1被引用 201

一句话总结

本研究利用门控扫描隧道显微镜与谱学（STS）测量了MoS2的带隙和费米能级（EF），结果表明体相MoS2具有约1.3 eV的带隙并因硫空位而呈现n型掺杂，而生长在SiO2上的薄层MoS2则因界面电荷陷阱而表现出更强的n型掺杂。研究结果阐明了MoS2中掺杂的起源，对设计二维半导体器件具有重要意义。

ABSTRACT

The discovery of graphene has put the spotlight on other layered materials including transition metal dichalcogenites (TMD) as building blocks for novel heterostructures assembled from stacked atomic layers. Molybdenum disulfide, MoS2, a semiconductor in the TMD family, with its remarkable thermal and chemical stability and high mobility, has emerged as a promising candidate for post-silicon applications such as switching, photonics, and flexible electronics. Since these rely on controlling the position of the Fermi energy (EF), it is crucial to understand its dependence on doping and gating. Here we employed scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) with gating capabilities to measure the bandgap and the position of EF in MoS2, and to track its evolution with gate voltage. For bulk samples, the measured bandgap (~1.3eV) is comparable to the value obtained by photoluminescence, and the position of EF (~0.35eV) below the conduction band, is consistent with n-doping reported in this material. Using topography together with spectroscopy we traced the source of the n-doping in bulk MoS2 samples to point defects, which we attribute to S vacancies. In contrast, for thin films deposited on SiO2, we found significantly higher levels of n-doping that cannot be attributed to S vacancies. By combining gated STS with transport measurements in a field effect transistor (FET) configuration, we demonstrate that the higher levels of n-doping in thin film samples is due to charge traps at the sample-substrate interface.

研究动机与目标

• 理解n型掺杂在MoS2中的起源，这是后硅时代电子学中关键的二维半导体。
• 利用扫描隧道显微镜与谱学（STS）在原子尺度分辨率下测量MoS2的带隙和费米能级（EF）。
• 区分不同MoS2形态中掺杂的来源，即本征缺陷与外在界面效应。
• 将STS测量结果与场效应晶体管（FET）输运数据相关联，以验证掺杂机制。

提出的方法

• 采用静电门控的扫描隧道显微镜（STM）与谱学（STS）技术，对MoS2中的局域电子结构进行成像。
• 结合形貌成像与STS分析，识别原子尺度缺陷，特别是硫空位。
• 通过门控STS测量费米能级（EF）随栅压的变化，从而确定能带对齐与掺杂水平。
• 在体相MoS2与SiO2衬底上的机械剥离薄层MoS2之间进行对比测量。
• 利用场效应晶体管（FET）结构中的输运测量结果，对STS结果进行交叉验证。
• 通过理论解释将观测到的EF偏移与掺杂机制关联，区分缺陷诱导与界面陷阱诱导的掺杂。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过局域探针技术测得的体相MoS2的本征带隙是多少？
• RQ2 体相MoS2中观测到的n型掺杂由何原因引起？是否可归因于特定的原子缺陷？
• RQ3 为何在SiO2上生长的MoS2薄膜样品表现出显著高于体相样品的n型掺杂水平？
• RQ4 MoS2/SiO2界面处的界面电荷陷阱是否导致了二维薄膜中掺杂水平的增强？
• RQ5 门压依赖的STS测量结果与MoS2宏观FET输运行为之间有何关联？

主要发现

• 体相MoS2的带隙测量值为~1.3 eV，与光致发光数据一致。
• 体相MoS2中的费米能级位于导带边以下约0.35 eV处，表明存在本征n型掺杂。
• 通过形貌与谱学分析的结合，确认硫空位是体相MoS2中n型掺杂的主要来源。
• 在SiO2上生长的薄膜表现出显著高于体相样品的n型掺杂水平，该现象无法由硫空位解释。
• 门控STS与FET输运测量结果共同表明，MoS2/SiO2界面处的界面电荷陷阱是二维薄膜中增强掺杂的原因。
• 本研究建立了界面缺陷与电子性质之间的直接关联，对器件工程具有关键意义。