崔屹Nature子刊：二维材料插层掺杂，p型、n型、金属态一应俱全！

第一作者：Yongji Gong

通讯作者：崔屹

第一单位：斯坦福大学（美国）

现代社会，无论是衣食住行，电子元器件都起到重要作用，并将为智能化的社会不断添砖加瓦。而电子器件的微型化趋势，则呈现出不可挡之势。二维材料，这种新兴的原子级超薄片状纳米材料，无疑是电子器件微型化的重要帮手， p-n 结，原子级超薄晶体管一一实现。

二维材料应用到电子器件至少具有以下两大优势：

1）原子级超薄的特征，有助于实现原子级超薄的集成电路，使电子器件更加微型化。

2）二维材料的半导体特征，有利于其快速可控地集成到硅基集成电路，且不会引起较高的阻抗界面。

图 1. MoS ₂ 单层晶体管

B. Radisavljevic, A. Kis et al. Single-layer MoS ₂ transistors. Nature Nanotechnology 2011, 6, 147–150.

问题在于：在同一二维材料上分别实现纯 P 型传导、纯 n 型传导、纯金属态仍然难以实现。而二维材料的二维特征，又使得其无法通过传统的离子注入技术进行载体掺杂，阻碍了其在电子器件中的深入应用。

有鉴于此，斯坦福大学崔屹课题组发展了一种基于溶剂的插层掺杂技术，可以在原子级尺度同时实现二维半导体材料 SnS ₂ 的 P 型、 n 型以及非简并型掺杂。

图 2. SnS ₂ 母体材料获得 P 型、 n 型和金属态 SnS ₂ 二维材料

研究人员以 S 和 SnC ₂ O ₄ 作为前驱体，首先通过 CVD 方法生长得到 n 型 SnS ₂ 二维半导体材料，最高温度达到 600 ℃。反应时间可以调控 SnS ₂ 片层厚度。然后，将生长了 SnS ₂ 的 SiO ₂ /Si 基底浸入丙酮溶液，丙酮溶液中含有 Cu 或 Co 的前驱盐，在 50 ℃反应 30min ，然后润洗、干燥即可。

通过异质原子 Cu 、 Co 的插层掺杂， CVD 生长的 n 型 SnS ₂ 可以转变为 p 型半导体（ Cu-SnS ₂ ）和高导电的金属态（ Co-SnS ₂ ）。相比于自然生长的 n 型 S 空位 SnS ₂ 二维半导体材料， Cu 掺杂的双层 SnS ₂ 表现出高达约 40 cm ² V ^{− 1} s ⁻ 1的孔场效应迁移率。而 Co 掺杂的 SnS ₂ 则表现出金属性能，其方块电阻可和少层石墨烯相当。

图 3. 电学性能及DFT计算

进一步，通过将这种插层掺杂技术和光刻技术相结合，研究人员得到了无缝的 p-n