导读

近日，武汉大学肖湘衡教授团队提出了一种温度场辅助的路易斯酸掺杂策略，实现了针对TMDs的稳定p型掺杂，并应用于光电探测器与CMOS反相器。通过构建PdSe₂ p‐n同质结器件，实现了整流比约1.4×10⁴、响应度0.33 A/W、探测率1.55×10¹¹ Jones的光电探测器，同时还制备出峰值功耗低至60 pW的反相器。在普适性研究中，该方法成功实现了对多种TMDs材料的有效p型掺杂，包括WS₂、MoSe₂、WSe₂和MoTe₂等。相关成果发表在Small上，题为“Temperature-Field-Mediated Stable Lewis Acid p-Type Doping of TMDs for Photodetectors and CMOS Inverters”。

研究背景

二维材料（2D materials）凭借其卓越的电学与光学性能，在实现高集成度、高速及低功耗的下一代电子器件中发挥着关键作用。这些特性对于满足大数据分析、物联网、智能终端、超大规模计算及健康监测等应用的需求至关重要。然而，由于表面/界面杂质和内部缺陷引起的强电子掺杂效应，使得二维半导体多表现为n型特性，从而限制了其在电子器件领域的进一步发展。

二维材料表面原子通常具有未成键的孤对电子，这赋予其路易斯碱（Lewis base）的特征。通过选择合适的路易斯酸（Lewis acid），可以有效地耗尽n型半导体中的电子并增加空穴浓度，从而实现p型掺杂。据研究报道，路易斯酸可通过取代二维材料阳离子位的方式实现p型掺杂，且基于该方法构建的p–n同质结器件获得了高达10²的整流比。然而，已有研究表明，尽管路易斯酸掺杂主要来源于取代作用，但仍不可避免地存在部分吸附掺杂的贡献。这一吸附成分会导致器件稳定性不足，难以满足现代电子器件的长期可靠性要求。因此，为实现路易斯酸掺杂的实际应用，开发一种简便且具有普适性的稳定p型半导体制备方法至关重要。

创新研究

通过Fe与硫族原子的强轨道杂化形成的共价键，提升了溶液法掺杂的器件稳定性。本工作提出了一种温度场驱动的Fe替位掺杂策略，基于Fe掺杂的器件实现了空气环境条件下长达31天的优异稳定性，晶体管的开态/关态电流未有明显变化，有效抑制了环境因素或掺杂剂解吸引发的掺杂失活和器件性能衰退问题。

图1 第一性原理计算分析Fe掺杂对PdSe₂电子结构和稳定性的调控

DFT计算揭示了过渡金属元素在PdSe₂体系中的掺杂热力学特性差异。如图1所示，不同掺杂构型的形成能排序表明Fe对Pd位点的替位（Fe_Pd，-1.771 eV）具有显著热力学优势，甚至低于表面吸附模式（Abs_Fe，-1.175 eV）。AIMD模拟结果表明温度场的作用体现在两个方面，其一为增强溶剂流动性以消除Fe原子初始吸附位点差异；其二为驱动掺杂后局部结构的动态弛豫，通过Se原子的协同位移补偿Fe-Se键长失配。这种自校正机制有效抑制了亚稳态路径的形成，成为温度场介导掺杂的关键动力学因素。晶体轨道哈密顿布居（COHP）表明其积分晶体轨道哈密顿布居（ICOHP）的绝对值最大，这意味着Fe-Se成键状态最稳定。这种强键合特性源于Fe在Pd位点的最低形成能优势，促使Fe 3d轨道与Se 2p轨道产生强杂化耦合。Fe掺杂的独特热力学优势与温度场介导下的快速反应动力学是Fe-PdSe₂器件具有优异环境稳定性的原因。

在应用探索中，基于p-n结的光电探测器实现了1.4×10⁴的整流比、0.33 A·W^-1的响应度、1.55×10¹¹ Jones的比探测率和77.1%的外量子效率；CMOS反相器在1 V的驱动电压下实现了6.4的电压增益和低至60 pW的峰值功耗。

图2 基于p-n结的光电探测器与反相器性能参数

结论

这项工作探索了一种实现稳掺杂的策略，旨在克服二维材料在现代电子器件应用中的局限性。研究评估了不同路易斯酸在温度场调控下对PdSe₂导电性的影响，并结合DFT计算分析了Fe掺杂所赋予的卓越稳定性的原因。结果表明，Fe掺杂能够有效形成稳定的p型半导体，可广泛应用于多种TMD材料，如WS₂、MoSe₂、WSe₂和MoTe₂。通过XPS和HAADF-STEM确认了Fe-Se键的形成以及Fe原子在Pd位点的取代掺杂，阐明了掺杂的实现方式及机制。器件稳定性测试显示，经过31天饱和电流几乎没有变化。最终，通过在PdSe₂中构建p-n同质结，成功实现了高整流比、低功耗的光电探测器和反相器。本工作提出的掺杂策略为制造环境稳定的光电器件提供了一种新的思路。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202507189

（通讯员：马明军）