聚焦電子束調控二硫化鉬能隙

■科學家再次突破了人類對二維材料的掌控力,做出 1.81eV 到 1.42eV 之間的二維二硫化鉬(MoS2)

Photo Credit: PETER ALLEN

撰文|方程毅

對材料學家來說,調整材料性質以符合應用所需是一重要任務,從巨觀的機械性質到微觀的奈米結構,都是關注的焦點。能隙(Band gap)是材料的諸多重要性質之一,決定該材料發光以及吸收光子的能量大小。通常來說一旦材料組成固定,其能隙也就固定,不太具有調控的餘地。我們曾在<三五族半導體是什麼?>一文中解釋工程師如何藉由調控化合物組成原子的比例以滿足不同光學需求。

三五族材料的組成原子很多,調控的自由度很大,但並不是所有物質皆是如此。面對二硫化鉬(MoS2)這種原子比例固定的化合物又要怎麼辦呢?

二硫化鉬是二維材料,跟石墨烯類似,只有薄薄幾層原子,根據組成的層數及結構不同,會產生不同性質。其中,1T 結構為金屬性,2H 結構為半導體(至於 1T、2H 實際上是什麼結構本文不多做解釋)。1T 結構並無能隙,能帶圖如同金屬一般;2H 結構像半導體一樣具有能隙、導帶(Conduction band)及價帶(Valence Band),其能隙為 1.81eV。 1T 及 2H 兩者差異在於原子排列的方式不同,雖然他們都是二硫化鉬,但有不同性質,類似的現象我們曾在<能隙只有30 meV的矽,是半導體還是金屬?>提及。

但即便如此,1T 跟 2H 兩種結構也只有兩種性質,談何調控?

加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California - Santa Barbara) 電機系(Department of Electrical and Computer Engineering) Kaustav Banerjee 教授研發出一種精準調控二硫化鉬能隙的方法。他們以具半導體的 2H 結構作為基底,在 2H 結構上製作做出具有週期性的奈米 1T 結構,這些沒有能隙的 1T 結構規律的散佈在 2H 基底上就像一個個位能井(Quantum well)。藉由控制 1T 在 2H 中的分布及大小,便可以做出能隙在 1.81eV 到 1.42eV 之間的二維二硫化鉬。這項研究成果被發表於 Scientific Reports

這些 1T 結構們是利用聚焦電子束(focused electron beam) 打在 2H 結構上形成,現行技術可以精準控制聚焦電子束的位置,讓 1T 結構之間的間距只有數奈米,並具有週期性,而非散亂排列,以確保能隙大小。這是科學家首次在二維材料上做出如此精準且具規模的奈米結構,每一個1T結構就像個量子點(Quantum dot)

論文作者 Xuejun Xie 表示:「我們的方法克服了以往製作這類結構的隨機性及準確度,我們精準的調控了材料的能隙以符合應用面的需求。」「這是個新的製作材料方式(利用聚焦電子束讓二維材料產生相變化),其應用面非常廣,包括量子計算及通訊(quantum computing and communication)。這些結構互相之間距離非常小,因此電子之間會互相影響,這是實現量子計算的重要關鍵。」

Banerjee 教授說:「聚焦電子束的大小可以決定量子點的大小,一旦能做到這點,便可以控制二維材料的能隙。你說你要能隙 1.5eV 我就給 你1.5eV;你要 1.6eV 我一樣可以給你。」

 

原始論文:Xie, Xuejun, Jiahao Kang, Wei Cao, Jae Hwan Chu, Yongji Gong, Pulickel M. Ajayan, and Kaustav Banerjee. "Designing artificial 2D crystals with site and size controlled quantum dots." Scientific Reports 7 (2017).

參考資料:Band Gaps, Made to Order

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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