Dopagem contra a Propensão Nativa do MoS2: Dopagem de Buracos Degenerados por Substituição de Cátions

Os dicálcogenos de metais de transição em camadas (TMDs) atraem muita atenção como o material semicondutor chave para dispositivos elétricos, optoeletrônicos e spintrônicos bidimensionais. Para a maioria dessas aplicações, são necessários materiais tanto do tipo n quanto do tipo p para formar junções e suportar a condução bipolar de portadores. No entanto, tipicamente apenas um tipo de dopagem é estável para um TMD específico. Por exemplo, o disulfeto de molibdênio (MoS2) é nativamente do tipo n, presumivelmente devido a vacâncias de enxofre que doam elétrons, e a dopagem p-tipo estável/controlável não foi alcançada. A falta de dopagem p-tipo dificulta o desenvolvimento de junções p-n de separação de carga em MoS2, além de limitar a condução de portadores a bandas de condução com degeneração de spin em vez das mais interessantes bandas de valência polarizadas por spin. Tradicionalmente, a dopagem p-tipo extrínseca em TMDs foi abordada com adsorção superficial ou intercalação de moléculas aceitadoras de elétrons. No entanto, a dopagem praticamente estável requer a substituição de átomos anfitriões por dopantes, onde a dopagem é garantida por ligação covalente. Neste trabalho, demonstramos condução p-tipo estável em MoS2 por dopagem substitucional de nióbio (Nb), levando a uma densidade de buracos degenerada de ∼ 3 × 10(19) cm(-3). Técnicas estruturais e de raios-X revelam que os átomos de Nb estão de fato incorporados substitucionalmente no MoS2, substituindo os cátions de Mo na rede anfitriã. Junções p-n homojunções de van der Waals baseadas em camadas empilhadas verticalmente de MoS2 são fabricadas, permitindo retificação de corrente ajustável por portão. Uma ampla gama de dispositivos microeletrônicos, optoeletrônicos e spintrônicos pode ser imaginada a partir da dopagem bipolar substitucional de MoS2 demonstrada. A partir da miscibilidade dos dopantes com o anfitrião, também se espera que a técnica de síntese demonstrada aqui possa ser geralmente estendida a outros TMDs para dopagem contra sua propensão unipolar nativa.