基于缺陷电离能评价的二维半导体导电调控理论研究

The analyses of ionization energy of defect or impurity for carriers and its regulation of rule for conductivity is the key step to functionalize electronic device based on 2D semiconductors. The traditional first-principles method (widely used to evaluate ionization energy in 3D semiconductors) faces a problem when it is used to evaluate defect ionization energy in 2D semiconductors, i.e. the defect ionization energy will be divergent with increasing the vacuum height of the calculated supercell. This leads to a failure of analyses of defect behavior for offering carriers in 2D semiconductors. In this proposal, the applicant will employ his recently developed method based on extrapolation technique and first-principles calculations to solve the divergent problem of evaluation of ionization energy in 2D semiconductors. The proposal mainly includes the analyses of atomic picture and ionization energy of defects in monolayer 2D semiconductors, the dependence of ionization energy on the number of layer, and the dependence of ionization energy on the external substrate environment. The purpose of this project is to propose the candidates of defect or impurity to realize N-/P-type conductivity for the popular 2D semiconductors. We expect the efforts of this proposal will do good to the application of 2D semiconductors in current electronic industry.

缺陷/杂质的载流子电离能分析及基于此获得的导电调控规律是制作实用化二维半导体器件的重要前提。传统广泛用于评价三维半导体缺陷电离能的第一性原理方法在分析二维半导体缺陷电离能时会随计算晶胞真空尺度的增大而发散，从而导致分析失效。本项目拟用申请人最近开发的基于数值外推技术的第一性原理计算方法克服上述电离能评价时的发散难题，开展主流二维半导体缺陷物理的通用规律研究，重点包括分析单层二维半导体各类缺陷、杂质原子形态及对应的载流子电离能、探索层数对缺陷电离能的调控规律、探索衬底等各类屏蔽环境对缺陷电离能的潜在影响。最终找出业界所关心的能为主流二维半导体稳定提供P、N导电的缺陷、掺杂方案。我们期望本项目将有益于加速二维半导体在电子工业中的应用。

本项目利用自主开发的基于数值外推技术的第一性原理计算方法克服缺陷电离能评价时的发散难题，开展主流二维半导体缺陷物理的通用规律研究，在执行的4年间，按照既定的研究目标主要开展了四方面的工作并取得了研究成果。一、开展了国际上首个I-VII族二维半导体的缺陷物理研究：以2D-AgI为例分析了本征空位缺陷和外来替位杂质等13种原子缺陷的原子图像、带电形成能、电离能；发现银空位是其中最合适的p型缺陷，铍替银是其中最合适的n型缺陷；由于电离时显著的缺陷局部结构变化，碘空位、锌替银和镉替银表现出负U缺陷性质；上述研究为全新I-VII族二维半导体的器件开发提供掺杂调控策略。二、光电半导体ZnO在二维极限下缺陷物理研究：发现n型杂质的缺陷电离能依然比p型杂质电离能低，保持了体相的掺杂非对称性；经过综合考虑选出Ga替Zn为合适的n型施主、Li替Zn为潜在的p型受主；STM仿真证明极薄ZnO的缺陷容易被辨认，从而为分析ZnO传统掺杂问题提供原子尺度分析策略。三、二维半导体缺陷载流子离化过程及屏蔽环境调控物理研究：以二硫化钼为例，证明了单层MoS2中会出现缺陷束缚带边态（Defect-Bound Band Edge，DBBE states），DBBE态形成原因是带电缺陷和激发到带边的载流子之间（由于二维半导体的弱屏蔽效果而）存在强束缚作用所导致，因此可预期通过衬底等屏蔽环境的添加可调控其电离能；在合适的缺陷密度下，载流子可以通过DBBE态传输。四、二维半导体的调制掺杂策略研究：提出将两层二维半导体材料堆积成异质结，通过在覆盖层内引入缺陷，与沟道层发生电荷转移，从而实现在不破坏原子晶格前提下控制沟道层电学性质的能力，获得高迁移率性能。在项目执行期间，负责人带领研究组在Nano Lett.、Mater. Today Nano、Phys. Rev. B、npj: Comput. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Appl. Phys. Rev.、Nat. Commun.、Appl. Phys. Lett.等著名期刊发表受项目资助学术论文，研究成果受到三星电子、维也纳工业大学、首尔大学等机构关注，其中IEEE Fellow、维也纳工大微电子所所长T. Grasser教授指出项目负责人等提出“远程调制掺杂”概念来解决领域问题。