物理学家将铁电性设计成 金属二硫属化物半导体

麻省理工学院的物理学家和同事通过 *** 纵只有几个原子层厚的超薄材料片，为过渡金属二硫属化物半导体 (TMDs) 设计了一种新特性。

麻省理工学院的团队表明，当两个单片 TMD（每片只有几个原子层厚）相互平行堆叠时，材料就会变成铁电体。在铁电材料中，正电荷和负电荷自发地流向不同的侧面或两极。在施加外部电场时，这些电荷会切换两侧，从而反转极化。在新材料中，所有这些都发生在室温下。

TMDs 已经因其电学和光学特性而广为人知。研究人员认为，这些特性与新赋予的铁电性之间的相互作用可能会导致各种有趣的应用。

Cecil 的 Pablo Jarillo-Herrero 说：“在很短的时间内，我们已经成功地大大扩展了二维铁电体这个小而不断增长的家族，这是纳米电子学和人工智能应用前沿的一种关键材料。”和 Ida Green 物理学教授和该工作的领导者，该工作在 Nature Nanotechnology 上进行了报道。 Jarillo-Herrero 还隶属于麻省理工学院的材料研究实验室。

除 Jarillo-Herrero 外，论文的作者还有 MIT 物理学研究生王希瑞； Kenji Yasuda 和 Yang Zhang，麻省理工学院博士后；哥伦比亚大学的刘松；日本国立材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi；哥伦比亚大学的詹姆斯·霍恩和麻省理工学院物理学副教授梁福。 （上图在麻省理工学院实验室是麻省理工学院博士后助理安田健二（ 左）和麻省理工学院物理学研究生王希瑞）。

超薄铁电体

去年，Jarillo-Herrero 和许多相同的同事表明，当两个原子薄的氮化硼 (BN) 片相互平行堆叠时，氮化硼变成铁电体。在目前的工作中，研究人员将相同的技术应用于 TMD。

由 BN 和 TMD 制成的超薄铁电体可能具有重要的应用，包括更密集的计算机内存存储。但它们很少见。随着 Nature Nanotechnology 报道的四种新型 TMD 铁电体的加入，它们都属于同一个半导体家族，“我们的室温超薄铁电体的数量几乎翻了一番，”Xirui Wang 说。此外，她指出，大多数铁电材料都是绝缘体。 “很少有铁电体是半导体。”

“这不仅限于 BN 和 TMD，”Kenji Yasuda 说。 “我们希望我们的技术可用于为其他现有材料增加铁电性。例如，我们可以在磁性材料中添加铁电性吗？”

这项工作由美国能源部科学办公室、陆军研究办公室、戈登和贝蒂摩尔基金会、美国国家科学基金会、日本文部科学省 (MEXT) 资助，和日本学术振兴会。

参考

Wang，X.，Yasuda，K.，Zhang，Y.等人的“菱面体堆叠双层过渡金属二硫化物的界面铁电性”；纳特。纳米技术。 （2022 年）。

加入一个碳原子，就可以转变二维半导体材料！宾夕法尼亚州立大学研究人员称，一种将碳-氢分子引入半导体材料二硫化钨的单个原子层技术，极大地改变了这种材料的电子特性。可以用这种材料为节能光电设备和电子电路制造新型元件。论文的第一作者材料科学与工程博士生张福(音译)说：我们已经成功地将碳元素引入半导体材料的单层中，其研究2019年5月24日发表在《科学进展》(science Advances上。

在加入碳原子之前，半导体是一种过渡金属二卤代烃(TMD)，是n型电子导电体。用碳原子代替硫原子后，这种单原子厚的材料产生了双极效应、p型空穴支和n型支。这就产生了双极性半导体。毛里西奥·特隆斯(Mauricio Terrones)是一名资深作家，也是物理、化学和材料科学与工程领域的杰出教授。一旦材料被高度掺杂碳，研究人员就能产生具有很高载流子迁移率的简并p型。可以制造出n+/p/n+和p+/n/p+结，它们具有这种半导体所没有的特性，在应用方面，半导体被用于工业中的各种设备。

在这种情况下，这些设备中的大多数将是不同种类的晶体管，笔记本电脑里大约有100万亿个晶体管。这种材料也可能对电化学催化有好处，可以提高半导体的导电性，同时又具有催化活性。由于二维材料掺杂需要在特定的条件下同时进行多个过程，因此在二维材料掺杂领域的研究较少。该团队技术使用等离子体将甲烷裂解的温度降低到752华氏度。与此同时，等离子体必须足够强大，能够把硫原子从原子层中撞出来，并取代一个碳氢单位。要打开单层膜并不容易，然后测量载体的传输也不是件小事。

材料科学与工程系教授兼系主任Susan Sinnott提供了指导实验工作的理论计算。当Terrones和Zhang观察到掺杂这种二维材料正在改变它的光学和电子特性时，sinnott团队预测了最佳掺杂原子并预测了其特性，这与实验相符。测量了不同晶体管中碳取代量不断增加时的载流子输运，观察电导的根本变化，直到完全改变了传导类型从负到正。化学掺杂是改变二维过渡金属双卤代烷(2D-TMDs)电子、化学和光学性质的有效途径。研究采用等离子体辅助方法将碳-氢(CH)单元引入WS2单分子层。

发现ch -基团是将碳引入WS2的最稳定掺杂剂，这使得光致发光光谱显示的能带隙从1.98 eV降低到1.83 eV。像差校正高分辨率扫描透射电镜(AC-HRSTEM)结合第一原理计算的观察结果证实，ch基团合并到WS2中的S空位中。根据电子传输测量，未掺杂的WS2表现出单极n型传导。然而，随着碳掺杂水平的增加，CH-WS2单分子层出现了p分支，并逐渐完全变成p型。因此，嵌入到WS2晶格中的ch基团可以调整其电子和光学特性，该方法可用于其他2D-TMDs器件的高效集成。

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