氫鹵酸可以用來修復二維過渡金屬硫族化合物的缺陷

過渡金屬硫族化合物(transition metal dichalcogenide compounds, TMDCs)的化學式為MX2，其中M為過渡金屬(例如鉬或鎢)，而X為硫族元素(例如硫、硒或碲)。半導體性質的二維TMDCs在多層時其能隙結構(bans structure)為間接能隙(indirect bandgap)，然而在層數遞減為單原子層時會很神奇的逐漸變成直接能隙(direct bandgap)。因此吸收與發光效率極佳的單層TMDCs是許多重要的光電元件得以實現的關鍵。拜其獨特的電學與光學性質之賜，TMDCs在低功耗電子元件、低成本/可繞式顯示器、超靈敏偵測器、LED、太陽能電池與軟性可繞式電路等領域展現出過人的潛力，因而在近幾年吸引了各界廣大的興趣。然而，用以合成二維TMDCs的化學氣相沉積法(chemical vapour deposition, CVD)一直存在著一個懸而未決的問題，那就是CVD方法在合成TMDCs的同時總是會製造許多原子級的缺陷。由於這些缺陷會破壞TMDCs獨特的光電性質，因此如何在製程中何減少這些缺陷就成了急需被回答的問題。現在，這個問題可能已經被解決：一個研究團隊出人意表地發現一個極為簡單的解決方案，那就是氫鹵酸蒸汽似乎可以用來修復TMDCs的缺陷！


(a) 在藍寶石(sapphire)基板上剛以CVD合成的單原子層MoSe2的光學影像。 (b)氫鹵酸處理方法的示意圖。 (c) 三角形的MoSe2經溴化氫液體(氫溴酸)處理前後的光致螢光光譜(Photoluminescence, PL)依峰值強度變化作圖的空間分布圖(mapping)。

沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(King Abdullah University of Science and Technology, KAUST)的研究人員時玉萌(Yumeng Shi)博士與他的同事在研究單原子層MoSe2時發現，缺乏Se而成的空孔點缺陷會減損光致螢光光譜(Photoluminescence, PL)的強度。這是由於自由載子(電子或電洞)被缺陷捕捉後，電子與電洞復合(recombine)效率下降所致。然而，若將MoSe2以溴化氫這類的氫鹵酸蒸汽處理過，則缺陷捕捉載子的現降則可被減緩。該團隊宣稱，在最佳的結果裡，以溴化氫蒸汽處理過的MoSe2其室溫PL強度甚至可以增強30倍！

這個現象背後的原理推測是因為氫鹵酸改變了n-type的MoSe2的雜質能階，同時減少了CVD製程中在TMDCs產生的空孔缺陷與氧原子雜質；而減少這些缺陷的直接好處就是增強來自激子(電子電洞對)與三激子(雙電洞-電子)的發光效率。修復CVD合成的TMDCs的技術意味著科學家將可以利用該技術製作更好的TMDCs電晶體與其它電子、光電元件。相關研究被發表在2015年12月30日的ACS Nano期刊線上版。

責任編輯：莊鎮宇
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ACS Nano DOI: 10.1021/acsnano.5b06960.