Schéma du dopage des espèces carbone-hydrogène assisté par plasma dans le réseau WS2. Crédit :Fu Zhang/État de Penn
Une technique qui introduit des molécules de carbone-hydrogène dans une seule couche atomique du matériau semi-conducteur disulfure de tungstène modifie considérablement les propriétés électroniques du matériau, selon les chercheurs de Penn State à Penn State, qui disent qu'ils peuvent créer de nouveaux types de composants pour des dispositifs photoélectriques et des circuits électroniques économes en énergie avec ce matériau.
"Nous avons réussi à introduire l'espèce carbonée dans la monocouche du matériau semi-conducteur, " dit Fu Zhang, doctorant en science et ingénierie des matériaux auteur principal d'un article publié en ligne aujourd'hui dans Avancées scientifiques .
Avant le dopage - en ajoutant du carbone - le semi-conducteur, un dichalcogénure de métal de transition (TMD), était de type n - conducteur d'électrons. Après avoir substitué des atomes de carbone aux atomes de soufre, le matériau d'un atome d'épaisseur a développé un effet bipolaire, un p-type-trou-branche, et une branche de type n. Cela a abouti à un semi-conducteur ambipolaire.
« Le fait que vous puissiez modifier considérablement les propriétés en ajoutant aussi peu que deux pour cent atomiques était quelque chose d'inattendu, " Mauricio Terrones, auteur principal et professeur distingué de physique, chimie et science et ingénierie des matériaux.
Selon Zhang, une fois le matériau fortement dopé au carbone, les chercheurs peuvent produire un type p dégénéré avec une très grande mobilité des porteurs. "Nous pouvons construire n + /p/n + et P + /n/p + des jonctions avec des propriétés qui n'ont pas été vues avec ce type de semi-conducteur, " il a dit.
Au niveau des candidatures, les semi-conducteurs sont utilisés dans divers appareils de l'industrie. Dans ce cas, la plupart de ces appareils seront des transistors de différentes sortes.
"Ce type de matériau pourrait aussi être bon pour la catalyse électrochimique, " a déclaré Terrones. " Vous pourriez améliorer la conductivité du semi-conducteur et avoir une activité catalytique en même temps. "
Il existe peu d'articles dans le domaine du dopage des matériaux 2D, car cela nécessite que plusieurs processus aient lieu simultanément dans des types de conditions spécifiques. La technique de l'équipe utilise un plasma pour abaisser la température à laquelle le méthane peut être craqué - séparé - jusqu'à 752 degrés Fahrenheit. À la fois, le plasma doit être suffisamment puissant pour faire sortir un atome de soufre de la couche atomique et substituer une unité carbone-hydrogène.
"Ce n'est pas facile de doper des monocouches, et puis mesurer le transport des porteurs n'est pas anodin, " dit Terrones. " Il y a un endroit idéal où nous travaillons. Beaucoup d'autres choses sont nécessaires."
Susan Sinnott, professeur et chef du Département de science et génie des matériaux, ont fourni des calculs théoriques qui ont guidé le travail expérimental. Lorsque Terrones et Zhang ont observé que le dopage du matériau 2D modifiait ses propriétés optiques et électroniques - quelque chose qu'ils n'avaient jamais vu auparavant - l'équipe de Sinnott a prédit le meilleur atome avec lequel se doper et a prédit les propriétés, qui correspondait à l'expérience.
Saptarshi Das, professeur assistant en sciences de l'ingénieur et mécanique, et son groupe, ensuite mesuré le transport des porteurs dans divers transistors avec des quantités croissantes de substitution de carbone. Ils ont observé le changement radical de conductance jusqu'à ce qu'ils aient complètement changé le type de conduction de négatif à positif.
"C'était vraiment un travail multidisciplinaire, " dit Terrones.
Auteurs supplémentaires sur le Avancées scientifiques papier, intitulé "Dopage au carbone du WS
