SLIDE 1
start
¡ ¡Defects ¡in ¡MoS2 ¡monolayers ¡ ¡ ¡repair, ¡doping ¡and ¡func8onaliza8on
¡
- A. ¡Förster, ¡S. ¡Gemming, ¡G. ¡Seifert, ¡D. ¡Tománek ¡
start Defects in MoS 2 monolayers repair, doping and - - PowerPoint PPT Presentation
start Defects in MoS 2 monolayers repair, doping and - - PowerPoint PPT Presentation
start Defects in MoS 2 monolayers repair, doping and func8onaliza8on A. Frster, S. Gemming, G. Seifert, D. Tomnek MoS 2 electronics - Early studies 1960-ies R.
SLIDE 2
SLIDE 3
1960-ies
- R. Fivaz, E. Mooser
„Mobility of Charge Carriers in semiconducting layer structures“
- Phys. Rev. 163 (1967) 743
- high purity
- mobilities MoS2/MoSe2 à500 cm2/Vs T ≤ 200 K
MoS2 electronics - Early studies
1980-ies
- Solar cells (Kautek, Gehrischer, Tributsch…)
- Heterojunctions (Bucher…)
SLIDE 4
Layered ¡Structure ¡
2H-‑MoS2 ¡ Space ¡group: ¡D4
6h ¡− ¡P63/mmc ¡
¡
Sulfur Sulfur Sulfur Sulfur Molybdenum Molybdenum van der Waals EB (van der Waals) ≈ 0.06 eV/atom
EB (van der Waals - Graphite) ≈ 0.01 eV/atom
SLIDE 5
5
Energy ¡(eV) ¡ EFermi ¡ +1 ¡
- ‑1 ¡
+2 ¡
- ‑4 ¡
- ‑2 ¡
- ‑5 ¡
- ‑3 ¡
Energy ¡(eV) ¡ EFermi ¡ +1 ¡
- ‑1 ¡
+2 ¡
- ‑4 ¡
- ‑2 ¡
- ‑5 ¡
- ‑3 ¡
bulk ¡ indirect ¡band ¡gap ¡ ¡solid ¡lubricant ¡ ¡ 2D ¡monolayer ¡ direct ¡band ¡gap ¡ nano-‑ ¡and ¡optoelec-‑ tronic ¡devices ¡
Layered Structure
SLIDE 6
MoS2: ¡ ¡formally ¡ ¡Mo ¡4+ ¡S2-‑ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡MoS6
8-‑ ¡
x y z Trigonal prismatic D3h e´´ dxz, dyz e´ dxy, dx
2
- y
2
a1 dz
2
Cluster
Ligand field splitting
SLIDE 7
Valence Band Mo-d—S-p conduction band
dz
2
dxy, dx
2
- y
2
EF E
Triple layer S-Mo-S
Mo-‑d ¡ dz
2
SLIDE 8
MoS2 – Semiconductor
strong anisotropy in conductivity σ║ ~ 10-3 σ┴ σ┴ ¡~ ¡0,6-‑7,9 ¡S/cm ¡ Charge carrier mobility: 2…500 cm2/Vs nominally „undoped“:n-MoS2 ↔ sulfur defects
SLIDE 9
Electronic ¡proper8es ¡of ¡MoS2 ¡
+0.83
- 0.36
- 0.47
- ‑ ¡S ¡defect ¡
no ¡defect ¡
SLIDE 10
Electronic ¡proper8es ¡of ¡MoS2 ¡
Density of States
Energy/eV à Density-of-States à
- ‑ ¡S ¡defect ¡
„vacancy“ state
n-doping
SLIDE 11
11
Repair ¡and ¡Func8onaliza8on ¡of ¡MoS2 ¡ Monolayers ¡via ¡Thiols ¡
¡
- ReacJons ¡of ¡Thiols ¡on ¡2D ¡MoS2 ¡
- Vacancy ¡Repair ¡
- Adatom ¡Repair ¡
- FuncJonalizaJon ¡
SLIDE 12
12
Defect ¡states ¡in ¡MoS2 ¡
- Qualita8vely ¡most ¡efficient ¡method ¡
(mechanical ¡exfoliaJon, ¡ME) ¡too ¡expensive ¡ for ¡mass-‑producJon ¡ ¡ ¡
- Quan8ta8vely ¡most ¡efficient ¡method ¡
(Physical/Chemical ¡Vapor ¡DeposiJon, ¡PVD/ CVD) ¡sJll ¡includes ¡too ¡many ¡defects ¡for ¡a ¡ mass-‑distribuJon ¡ ¡
V A Mo S
[1] ¡Hong ¡et ¡al, ¡Nature ¡communica0ons ¡6 ¡(2015) ¡
[1] ¡
SLIDE 13
13
Monovacancy → defect state
(b)
Sulfur adatom → left shift
(a)
EF
- 2
4 2
- 4
Energy (eV) DOS
(d)
EF
- 2
4 2
- 4
Energy (eV) DOS ideal MoS2
EF
- 2
4 2
- 4
Energy (eV) DOS Divacancy → defect states
(c)
EF
- 2
4 2
- 4
Energy (eV) DOS
Defect ¡states ¡in ¡MoS2 ¡
SLIDE 14
14
Reac8ons ¡of ¡Thiols ¡on ¡2D ¡MoS2 ¡
Methology ¡
- Thiols ¡exemplarily ¡represented ¡by ¡CH3SH ¡
- MoS2 ¡consists ¡of ¡a ¡4x4x1 ¡super ¡cell ¡
- 15 ¡Å ¡vacuum ¡above ¡MoS2 ¡monolayer ¡
¡
- Computa8onal ¡details: ¡
- Siesta ¡(version ¡3.1) ¡
- funcJonal: ¡PBE ¡
- basis: ¡DZP ¡
- 4x4x1 ¡k-‑points ¡
SLIDE 15
Sulfur ¡vacancy ¡defect ¡(SV) ¡
[2] ¡Chen ¡et ¡al. ¡Ang. ¡Chem. ¡Int. ¡Ed. ¡55 ¡(2016) ¡
SV ¡defect ¡repair ¡ [1] ¡ Disulfide ¡formaJon ¡ [2] ¡
[1] ¡Bertolazzi ¡et ¡al. ¡Advanced ¡Materials ¡29 ¡(2017) ¡
SLIDE 16
Repair ¡of ¡SV ¡defects ¡
Mo S C H
Educt ¡ TransiJon ¡state ¡ Product ¡
þ
SLIDE 17
Repair ¡of ¡SV ¡defects ¡
SLIDE 18
Repair ¡of ¡SV ¡defects ¡
total S Mo C S@C H
SLIDE 19
Disulfide ¡forma8on ¡
ý
SLIDE 20
Disulfide ¡forma8on ¡ Kubas ¡complex ¡
SLIDE 21
Disulfide ¡forma8on ¡
total ¡ S ¡ Mo ¡ C ¡ H ¡
ý
SLIDE 22
Adatom ¡repair ¡
Condi8on ¡for ¡disulfide ¡forma8on? ¡ ¡
þ
SLIDE 23
Adatom ¡repair ¡
+ ¡Sulfur ¡vacancy ¡
+ ¡½H2S ¡ + ¡
- 4
- 3
- 2
- 1
1 2
ER=-2.81eV ER=-0.18eV Ea~3.00eV ER=-0.86eV
Energy [eV] Reaction V Reaction VI Reaction VII
Ea=1.00eV
þ ¡ ý ¡
SLIDE 24
Doping ¡with ¡thiols ¡
→ ¡replace ¡CH3 ¡termina8ng ¡group ¡
- f ¡the ¡thiol ¡with ¡func8onal ¡groups ¡
SLIDE 25
p-‑doping ¡with ¡thiols ¡
ER=-‑3.19 ¡eV ¡ ER=-‑0.08 ¡eV ¡
- 3 ¡possibiliJes ¡
- reac8on ¡1 ¡≡ ¡SV ¡
repair ¡and ¡ physisorpJon ¡is ¡ dominant ¡reacJon ¡
þ ¡
SLIDE 26
p-‑doping ¡with ¡thiols ¡
p-‑type ¡doping ¡
DOS ¡perfect ¡ MoS2 ¡ DOS ¡product ¡ C ¡ F ¡ H ¡
SLIDE 27
n-‑doping ¡with ¡thiols ¡
ER=-‑0.90 ¡eV ¡
- 3 ¡possibiliJes ¡
- again ¡reac8on ¡1 ¡≡ ¡SV ¡repair ¡and ¡
physisorpJon ¡is ¡dominant ¡reacJon ¡
Protona8on? ¡
þ ¡
SLIDE 28
n-‑doping ¡with ¡thiols ¡
SLIDE 29
n-‑doping ¡with ¡thiols ¡
n-‑type ¡doping ¡
SLIDE 30
Conclusions ¡
- thiols ¡are ¡powerful ¡healing ¡agents ¡for ¡several ¡
defects ¡in ¡MoS2 ¡monolayers ¡ ¡ à ¡charge ¡transport ¡limiJng ¡defects ¡can ¡be ¡ ¡quickly ¡and ¡efficiently ¡healed ¡ ¡ à ¡use ¡of ¡MoS2 ¡monolayers ¡that ¡were ¡prepared ¡by ¡ ¡fast ¡and ¡cheap ¡methods ¡ ¡-‑ ¡such ¡as ¡CVD ¡ ¡
- “funcJonal” ¡thiols ¡for ¡doping ¡MoS2 ¡monolayers ¡
SLIDE 31
Challenges ¡-‑ ¡Outlook ¡
- Understanding/Tuning ¡Schojky ¡barrier ¡
- Influence ¡of ¡edge ¡properJes ¡
- p-‑ ¡and ¡n-‑type ¡doping ¡(Nb; ¡Re) ¡ ¡
- Doping ¡level ¡<-‑> ¡mobility! ¡
- Gate ¡control ¡
- „AtomisJc“ ¡device ¡simulaJons ¡
¡ Ø New ¡devices: ¡ ¡ ¡
- ‑ ¡Nanotube ¡based ¡devices ¡– ¡no ¡edge ¡effects! ¡
- ‑ ¡CD ¡waves, ¡superconducJvity ¡(NbS2, ¡TaS2) ¡
SLIDE 32
Thanks ¡
Anja ¡Förster ¡(Dresden) ¡ Sibylle ¡Gemming ¡(Dresden) ¡ David ¡Tomanek ¡(E. ¡Lansing) ¡
Financial ¡Support
SLIDE 33
en d