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添加碳原子可以转换2-D半导体材料

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  Penn State的Penn State研究人员表示,他们可以为节能光电创造新型元件,将碳氢引入半导体材料二硫化钨的单个原子层的技术极大地改变了材料的电子特性。具有这种材料的设备和电子电。

  “我们已经成功地将碳物质引入了半导体材料的单层中,” 材料科学与工程博士生傅章说,今天在线发表在“ 科学进展”上的一篇论文的主要作者。

  在碳 - 半导体之前,过渡金属二硫化物()是n型电子传导的。在用碳原子取代硫原子后,单原子厚的材料产生双极效应,p型空穴分支和n型分支。这导致了双极半导体。

  “事实上你可以通过加入低至两个原子百分比来显着改变性能,这是意想不到的事情,”Mauricio Terrones,资深作者,物理,化学和材料科学与工程的杰出教授。

  据Zhang介绍,一旦材料高度碳,研究人员就可以生产出具有很高载流子迁移率的简并p型。“我们可以建立n + / p / n +和p + / n / p +结,这些结构具有这种半导体所没有的特性,”他说。

  在应用方面,半导体用于工业中的各种器件。在这种情况下,大多数这些器件将是不同种类的晶体管。笔记本电脑中有大约100万亿个晶体管。

  “这种材料也可能对电化学催化有益,”Terrones说。“你可以提高半导体的导电性,同时具有催化活性。”

  二维材料领域的论文很少,因为它需要在特定类型的条件下同时进行多个过程。该团队的技术使用等离子体来降低甲烷裂解的温度 - 到752华氏度。同时,等离子体必须足够强以将硫原子从原子层中敲出并替代碳 - 氢单元。

  “对单层膜进行并不容易,然后测量载体运输并非易事,”Terrones说。“我们工作的地方有一个很好的地方。还需要很多其他的东西。”

  Susan Sinnott,材料科学与工程系教授兼负责人提供了指导实验工作的理论计算。当Terrones和Zhang观察到2-D材料正在改变它的光学和电子特性 - 这是他们以前从未见过的--Sinnott的团队预测了最好的原子来并预测了与实验相对应的特性。

  工程科学和力学助理教授Saptarshi Das及其小组随后测量了各种晶体管中的载流子传输,碳替代量增加。他们观察到电导率发生了根本性的变化,直到它们完全将传导类型从负面变为正面。

  科学进展论文的其他作者,题为“WS 2单层碳:带隙减少和p型运输”,包括现任或前任博士生Yanfu Lu,Daniel Schulman,张天一,钟琳和于磊; 和Ana Laura Ellias和Kazunori Fujisawa,物理学助理研究教授。


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