Air Stable Doping and Intrinsic Mobility Enhancement in Monolayer Molybdenum Disulfide by Amorphous Titanium Suboxide Encapsulation

掺杂剂 亚氧化物 材料科学 兴奋剂 无定形固体 电介质 二硫化钼 单层 分析化学(期刊) 纳米技术 氧化物 化学 结晶学 光电子学 冶金 有机化学
作者
Amritesh Rai,Amithraj Valsaraj,Hema C. P. Movva,Anupam Roy,Rudresh Ghosh,Sushant Sonde,Sangwoo Kang,Jiwon Chang,Tanuj Trivedi,Rik Dey,Samaresh Guchhait,Stefano Larentis,Leonard F. Register,Emanuel Tutuc,Sanjay K. Banerjee
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (7): 4329-4336 被引量:216
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5b00314
摘要

To reduce Schottky-barrier-induced contact and access resistance, and the impact of charged impurity and phonon scattering on mobility in devices based on 2D transition metal dichalcogenides (TMDs), considerable effort has been put into exploring various doping techniques and dielectric engineering using high-κ oxides, respectively. The goal of this work is to demonstrate a high-κ dielectric that serves as an effective n-type charge transfer dopant on monolayer (ML) molybdenum disulfide (MoS2). Utilizing amorphous titanium suboxide (ATO) as the "high-κ dopant", we achieved a contact resistance of ∼180 Ω·μm that is the lowest reported value for ML MoS2. An ON current as high as 240 μA/μm and field effect mobility as high as 83 cm(2)/V-s were realized using this doping technique. Moreover, intrinsic mobility as high as 102 cm(2)/V-s at 300 K and 501 cm(2)/V-s at 77 K were achieved after ATO encapsulation that are among the highest mobility values reported on ML MoS2. We also analyzed the doping effect of ATO films on ML MoS2, a phenomenon that is absent when stoichiometric TiO2 is used, using ab initio density functional theory (DFT) calculations that shows excellent agreement with our experimental findings. On the basis of the interfacial-oxygen-vacancy mediated doping as seen in the case of high-κ ATO-ML MoS2, we propose a mechanism for the mobility enhancement effect observed in TMD-based devices after encapsulation in a high-κ dielectric environment.
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