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缺陷一般被認為會破壞材料的物理性質，不過根據美國和中國研究人員的新發現，缺陷有助於某些二維(2D)半導體發出更多光。這些材料為過渡金屬二硫屬化物(transition-metal dichalcogenide, TMDC)，而該研究對於TMDC在電子和光電元件的應用而言相當重要。
加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)、麻省理工學院(MIT)與中國科學院(Chinese Academy of Sciences)的研究人員探討了單層TMDC中的陰離子空位(anion vacancy)的影響。這些材料的化學式為MX2(M=鉬、鎢; X=硫、硒)，而它們變成單層材料時，會轉變成直接能隙半導體，適合應用於電子和光電裝置如發光二極體(LED)與太陽電池等。研究人員為了在單層TMDC內製造硫族(硫和硒)空缺，並研究此缺陷產生的效應，先利用高能α粒子照射TMDC以撞擊出原子，接著再測量其發射光譜並與原光譜比較。
研究團隊在能隙之下發現一條新的光譜線，而且增加空缺密度會使材料發光更為明顯。團隊成員Sefaattin Tongay表示，此新峰值起源於束縛激子(bound exciton)的復合。由於真空環境下並不見此現象，意味著必須有氣體分子(如氮和氧)與缺陷產生交互作用才能發射光子。他們並進一步利用密度泛函計算(density functional calculation)確認此結果：分析顯示當氣體分子吸附於缺陷處時，陰離子空缺會在材料能隙下方0.2 eV處產生新能隙。
發光現象的增強源於缺陷處氣體-材料交互作用的增強，因此能汲取更多材料內的自由電子。此電荷轉移會使n型TMDC(如MoS2與MoSe2)缺乏載子並穩定激子，致使激子稍後能復合並且發出更多光。團隊成員Joonki Suh表示，此研究結果顯示缺陷不一定等同於缺點，並且解釋了缺陷如何影響2D材料的光致發光，同時指出藉由缺陷工程能控制材料物理特性。
該團隊目前正著手將此硫族化合物內缺陷效應量化，並且探討其他2D半導體材料是否也有此現象。詳見Scientific Reports｜ doi:10.1038/srep02657。 |