Photoluminescence Induced by Substitutional Nitrogen in Single-Layer Tungsten Disulfide

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作者
Qingkai Qian,Wenjing Wu,Lintao Peng,Yuanxi Wang,Anne Marie Z. Tan,Liangbo Liang,Saban M. Hus,Ke Wang,Tanushree H. Choudhury,Joan M. Redwing,Alexander A. Puretzky,David B. Geohegan,Richard G. Hennig,Xuedan Ma,Shengxi Huang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (5): 7428-7437 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c09809
摘要

The electronic and optical properties of two-dimensional materials can be strongly influenced by defects, some of which can find significant implementations, such as controllable doping, prolonged valley lifetime, and single-photon emissions. In this work, we demonstrate that defects created by remote N2 plasma exposure in single-layer WS2 can induce a distinct low-energy photoluminescence (PL) peak at 1.59 eV, which is in sharp contrast to that caused by remote Ar plasma. This PL peak has a critical requirement on the N2 plasma exposure dose, which is strongest for WS2 with about 2.0% sulfur deficiencies (including substitutions and vacancies) and vanishes at 5.6% or higher sulfur deficiencies. Both experiments and first-principles calculations suggest that this 1.59 eV PL peak is caused by defects related to the sulfur substitutions by nitrogen, even though low-temperature PL measurements also reveal that not all the sulfur vacancies are remedied by the substitutional nitrogen. The distinct low-energy PL peak suggests that the substitutional nitrogen defect in single-layer WS2 can potentially serve as an isolated artificial atom for creating single-photon emitters, and its intensity can also be used to monitor the doping concentrations of substitutional nitrogen.
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