二硫化鉬首現曙光

英美德研究人員最近發現，利用單層二硫化鉬(MoS₂，俗稱輝鉬礦)製作的電晶體能產生電致發光(electroluminescence)。此新研究結果確認了2D層狀半導體如MoS₂在未來光電產業的發展潛能，可望用來打造光源及其他光電元件。

MoS₂為直接能隙(1.8 eV)半導體，比間接能隙的矽材料更適用於某些光電元件，甚至被看好在未來電子電路應用上可能成為石墨烯(graphene)的對手。對於使用電子-電洞對激發特性的光電元件如發光二極體、太陽能電池及光偵測器而言，直接能隙材料的效率優於間接能隙材料。能隙的存在也讓裝置能輕易開關，更是電晶體不可或缺的特性，相形之下，零能隙的純石墨烯還需要靠掺雜或其他方式打開能隙。

層狀MoS₂的載子遷移率達100-500 cm²/Vs，與最先進的矽材技術已相去不遠，且能與多種基板甚至是透明或塑膠材質相容。由於此單層MoS₂薄膜的厚度僅有0.65 nm，能製作出極薄的電晶體元件，其散熱方式不同於一般矽基電晶體。

此研究由IBM TJ Watson研究中心的Phaedon Avouris 與Mathias Steiner所領軍，團隊包含英國劍橋大學及德國卡爾斯魯厄(Karlsruhe)理工學院的人員。他們以MoS₂作為電晶體的通道材料，透過光學顯微鏡觀察該元件的電致發光現象。通以電流時，他們能從電晶體下方的透明基板觀測到可見光的產生。在奈米科技研究領域中，藉由2D半導體能隙發光是最為重要且廣泛研究的主題之一。Steiner表示，此結果確認了MoS₂這類2D層狀半導體在光電產業的應用價值。

Steiner認為，在MoS₂裝置實際上能與矽基元件匹敵之前還有許多工作待完成。此材料目前的發光效率相對偏低，未來研究將著重於元件設計及新閘極技術的開發，以提升發光效率及電荷載子注入/萃取的控制，可能的方式包含利用高效率閘極在MoS₂通道中創造靜電p-n接面，或以聚合物電解質高度摻雜MoS₂。詳見Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl400516a。