npj: 硫族金屬元素化物超級原子體—二維半導體的調控

2020-12-05 知社學術圈

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載流子的性質和密度以及費米能量的位置決定了半導體的電子、光電子和其他功能粒子。因此，精確調控半導體特性的關鍵，就在於設計好這些參數的調節策略。然而這種調節策略卻難以設計。

來自維吉尼亞聯邦大學的Shiv Khanna教授等，對所選的超原子團簇Co6Se8(PEt3)6在二維半導體WSe2表面之間的電荷轉移機制，進行了理論研究。他們通過在廣義梯度逼近算法中加入色散校正密度泛函理論（DFT）和涉及範德華相互作用的DFT-D2函數計算，發現Co6Se8(PEt3)6超原子體能夠向WSe2提供多個電子，從而改變其電學性能從p-型半導體轉變為n-型半導體，從理論上證實了新近實驗的觀測結果，即支持Co6Se8(PEt3)6的WSe2薄膜從p-型到n-型的性能變化的機制，證明了Co6Se8(PEt3)6超原子體可以作為原子級薄膜半導體的可調化學摻雜物。他們進一步發現，用CO配體取代PEt3配體，可以在寬泛範圍內調控表面和沉積物質的電子特性。上述結果將有益於設計二維材料的有效摻雜策略。

該文近期發表於npj Computational Materials4: 33 (2018)，英文標題與摘要如下，點擊左下角「閱讀原文」可以自由獲取論文PDF。

Co6Se8(PEt3)6 superatoms as tunable chemical dopants for two-dimensional semiconductors（Co6Se8(PEt3)6

Arthur C. Reber & Shiv N. Khanna

Electronic, optoelectronic, and other functionalities of semiconductors are controlled by the nature and density of carriers, and the location of the Fermi energy. Developing strategies to tune these parameters holds the key to precise control over semiconductors properties. We propose that ligand exchange on superatoms can offer a systematic strategy to vary these properties. We demonstrate this by considering a WSe2 surface doped with ligated metal chalcogenide Co6Se8(PEt3)6 clusters. These superatoms are characterized by valence quantum states that can readily donate multiple electrons. We find that the WSe2 support binds more strongly to the Co6Se8 cluster than the PEt3 ligand, so ligand exchange between the phosphine ligand and the WSe2 support is energetically favorable. The metal chalcogenide superatoms serves as a donor that may transform the WSe2 p-type film into an n-type semiconductor. The theoretical findings complement recent experiments where WSe2 films with supported Co6Se8(PEt3)6 are indeed found to undergo a change in behavior from p- to n-type. We further show that by replacing the PEt3 ligands by CO ligands, one can control the electronic character of the surface and deposited species.

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