【材料】層狀半導體的表面電子聚集與本質特性

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2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家A. K. Geim與K. S. Novoselov成功地將具有層狀晶體結構的石墨（graphite）分離成僅有單一原子厚度的石墨烯（graphene）。由於只有一個原子的厚度，石墨烯也稱為史上最薄的材料，由此開啟了二維材料全新的領域，兩人也因此獲得2010年的諾貝爾物理獎。然而，石墨烯本質上具有金屬特性，為構成電子組件，仍需要與其搭配的層狀半導體（layered semiconductor）材料。因此，科學家也將目光轉移到同樣具有二維層狀結構的過渡金屬硫屬化合物，其中又以二硫化鉬（molybdenum disulfide, MoS2）研究最為廣泛。單層二硫化鉬電晶體表現出極高的開關比（on/off ratio），與商業化的矽基（silicon-based）材料相比並不遜色，厚度卻不到矽薄膜的百分之一，因此二硫化鉬也被譽為可取代矽的下一代半導體材料。

在過去眾多的研究中，二硫化鉬納米結構一直具有異常高的電子濃度與導電過強的問題，若無法降低材料內的電子濃度，將難以製備本質（intrinsic）與p型摻雜（p-doping）的半導體，也就無法實現具有p-n接面（p-n junction）的二極體、雙極性電晶體、半導體雷射與光傳感器等基礎電子組件，嚴重限制二硫化鉬的發展。為了研究這一課題，臺灣科技大學陳瑞山教授率領的研究團隊首先在實驗室確認二硫化鉬納米晶體在厚度減少的情況下，電導率（conductivity）會隨之上升，並利用傳輸長度理論模型（transfer length method, TLM）證明二硫化鉬遵循二維的電流傳輸，而非傳統認知的三維傳輸模式。該結果暗示了二硫化鉬層狀晶體的電流主要經由表面傳導而非材料內部，再經由掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling spectroscopy, STS）與角分辨光電子能譜（angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES）的直接表面探測，發現這種層狀半導體存在表面電子聚集（surface electron accumulation）的特性，表面的電子濃度大於材料內部約一萬倍。該結果為二硫化鉬存在表面主導的二維電流傳輸機制提供了直接證據。

作者及其研究團隊經過近五年的追蹤與探討，首次證實了二硫化鉬的高電子濃度或高導電特性源自材料表面而非材料內部。一般材料的電流傳輸皆是均勻分布在材料內部，表面對於電流傳導的貢獻可近乎忽略。尤其是這類被稱為範德華晶體（van der Waals crystal）的層狀材料，晶體表面不存在懸浮鍵（dangling bond），因此過去人們皆假設層狀材料的表面是相對穩定的且沒有作用。然而這次的研究發現顛覆了學術界過去的認知，也為未來層狀半導體的研究創立了新的方向。

圖1.（a）二硫化鉬層狀晶體在厚度減少時電導率隨之增加；（b）二硫化鉬納米晶體電阻值遵循二維的TLM模型。

圖2.（a）原始表面與；（b）新鮮表面二硫化鉬單晶的STS量測。

圖3. 利用ARPES測量的（a）原始表面與（b）新鮮表面的二硫化鉬單晶電子結構；（c）針對不同表面在Γ點所得到的價電帶ARPES能譜。

圖4.（a）二硫化鉬晶體原始表面存在表面電子聚集（SEA）與（b）新撕開的表面不存在電子聚集的示意圖。

另外，該研究團隊也發現這種極高導電的表面可輕易地經由機械剝離法（mechanical exfoliation）移除，經過處理的二硫化鉬意外地表現出接近本質半導體的絕緣特性，表明二硫化鉬可不再受高電子濃度困擾，對於未來製備本質與p型摻雜的二硫化鉬以及開發以層狀半導體為基礎的電子組件提供了極為重要的參考。相關工作發表在Nature Communications 雜誌上。

該論文作者為：M. D. Siao, W. C. Shen, R. S. Chen, Z. W. Chang, M. C. Shih, Y. P. Chiu & C.-M. Cheng

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

Two-dimensional electronic transport and surface electron accumulation in MoS2

Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03824-6

研究團隊簡介

陳瑞山教授

臺灣科技大學應用科技研究所 

E-mail：[e-mail] 

陳瑞山教授畢業於臺灣中原大學物理系（1998年）與應用物理所碩士班（2000年），2004年取得臺灣科技大學電子工程所博士學位；並先後在臺灣中央研究院（2005-2008年）與瑞典Linköping University（2009年）從事博士後研究；於2010年返回臺灣科技大學應用科技研究所擔任助理教授（2010-2012年）、副教授（2013-2016年）與教授（2017年至今）一職。陳教授的研究方向為半導體物理與納米材料，近年來專注於一維與二維納米材料光電導與電傳輸特性的探討；共發表SCI論文62篇，其中不乏高影響因子的期刊，如Nature Communications、NPG Asia Materials、Nano Energy、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemistry of Materials、Journal of Materials Chemistry、Applied Physics Letters、Nanotechnology 等；在半導體納米線與層狀半導體的研究中也多次經美國物理學會選錄為先驅研究論文以及《臺灣物理研究快報》、臺灣「納米科學網」與英國Nanotechweb.org的重點報導。

http://www.x-mol.com/university/faculty/49787

繁體中文版本

2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家A. K. Geim與K. S. Novoselov成功地將具有層狀晶體結構的石墨（graphite）分離成僅有單一原子厚度的石墨烯（graphene）。由於只有一個原子的厚度，石墨烯也稱為史上最薄的材料，由此開啟了二維材料全新的領域，兩人也因此獲得2010年的諾貝爾物理獎。然而，石墨烯本質上具有金屬特性，為構成電子元件，仍需要與其搭配的層狀半導體（layered semiconductor）材料。因此，科學家也將目光轉移到同樣具有二維層狀結構的過渡金屬硫屬化合物，其中又以二硫化鉬（molybdenum disulfide, MoS2）研究最為廣泛。單層二硫化鉬電晶體表現出極高的開關比（on/off ratio），與商業化的矽基（silicon-based）材料相比並不遜色，厚度卻不到矽薄膜的百分之一，因此二硫化鉬也被譽為可取代矽的下一代半導體材料。

在過去眾多的研究中，二硫化鉬納米結構一直具有異常高的電子濃度與導電過強的問題，若無法降低材料內的電子濃度，將難以製備本質（intrinsic）與p型摻雜（p-doping）的半導體，也就無法實現具有p-n接面（p-n junction）的二極體、雙極性電晶體、半導體雷射與光感測器等基礎電子元件，嚴重限制二硫化鉬的發展。為了研究這一課題，臺灣科技大學陳瑞山教授率領的研究團隊首先在實驗室確認二硫化鉬納米晶體在厚度減少的情況下，電導率（conductivity）會隨之上升，並利用傳輸長度理論模型（transfer length method, TLM）證明二硫化鉬遵循二維的電流傳輸，而非傳統認知的三維傳輸模式。該結果暗示了二硫化鉬層狀晶體的電流主要經由表面傳導而非材料內部，再經由掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling spectroscopy, STS）與角分辨光電子能譜（angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES）的直接表面探測，發現這種層狀半導體存在表面電子聚集（surface electron accumulation）的特性，表面的電子濃度大於材料內部約一萬倍。該結果為二硫化鉬存在表面主導的二維電流傳輸機制提供了直接證據。

作者及其研究團隊經過近五年的追蹤與探討，首次證實了二硫化鉬的高電子濃度或高導電特性源自材料表面而非材料內部。一般材料的電流傳輸皆是均勻分佈在材料內部，表面對於電流傳導的貢獻可近乎忽略。尤其是這類被稱為範德華晶體（van der Waals crystal）的層狀材料，晶體表面不存在懸浮鍵（dangling bond），因此過去人們皆假設層狀材料的表面是相對穩定的且沒有作用。然而這次的研究發現顛覆了學術界過去的認知，也為未來層狀半導體的研究創立了新的方向。

圖1.（a）二硫化鉬層狀晶體在厚度減少時電導率隨之增加；（b）二硫化鉬納米晶體電阻值遵循二維的TLM模型。

圖2.（a）原始表面與；（b）新鮮表面二硫化鉬單晶的STS量測。

圖3. 利用ARPES測量的（a）原始表面與；（b）新鮮表面的二硫化鉬單晶電子結構；（c）針對不同表面在Γ點所得到的價電帶ARPES能譜。

圖4.（a）二硫化鉬晶體原始表面存在表面電子聚集（SEA）與（b）新撕開的表面不存在電子聚集的示意圖。

另外，該研究團隊也發現這種極高導電的表面可輕易地經由機械剝離法（mechanical exfoliation）移除，經過處理的二硫化鉬意外地表現出接近本質半導體的絕緣特性，表明二硫化鉬可不再受高電子濃度困擾，對於未來製備本質與p型摻雜的二硫化鉬以及開發以層狀半導體為基礎的電子元件提供了極為重要的參考。相關工作發表在Nature Communications 雜誌上。

研究團隊簡介

陳瑞山教授

臺灣科技大學應用科技研究所 

E-mail：[e-mail] 

陳瑞山教授畢業於臺灣中原大學物理系（1998年）與應用物理所碩士班（2000年），2004年取得臺灣科技大學電子工程所博士學位；並先後在臺灣中央研究院（2005-2008年）與瑞典Linköping University（2009年）從事博士後研究；於2010年返回臺灣科技大學應用科技研究所擔任助理教授（2010-2012年）、副教授（2013-2016年）與教授（2017年至今）一職。陳教授的研究方向為半導體物理與納米材料，近年來專注於一維與二維納米材料光電導與電傳輸特性的探討；共發表SCI論文62篇，其中不乏高影響因數的期刊，如Nature Communications、NPG Asia Materials、Nano Energy、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemistry of Materials、Journal of Materials Chemistry、Applied Physics Letters、Nanotechnology 等；在半導體納米線與層狀半導體的研究中也多次經美國物理學會選錄為先驅研究論文以及《臺灣物理研究快報》、臺灣「納米科學網」與英國Nanotechweb.org的重點報導。

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