Doping-Modulated Semiconductor-to-Metal Transformation in a Low-Band-Gap Two-Dimensional Material

材料科学 转化(遗传学) 工作(物理) 纳米技术 结晶学 凝聚态物理 产量(工程) 物理 热力学 工程物理
作者
Qi Zhang,Yaroslav Zhumagulov,Mithun Ghosh,Oldřich Cicvárek,Jiaquan Fang,Yuan Chen,Yijie Lin,Ali Al Mejamai,Johan Félisaz,Iva Plutnarová,G. Eda,Oleg V. Yazyev,Zdeněk Sofer,Ahmet Avşar
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c20066
摘要

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDCs) are promising materials for next-generation complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologies owing to their atomically thin channels and strong electrostatic control. Achieving the modulation of carrier polarity within a single material system is desirable for CMOS integration but remains challenging. Low-bandgap TMDCs could facilitate effective polarity tuning. Additionally, such materials provide a sensitive medium for probing doping-induced electronic evolution, where small perturbations can strongly shift the Fermi level. Here, we employ five-layer PtSe2, an air-stable TMDC with a low bandgap of ∼0.1 eV, as a material platform to investigate doping-driven transport modulation. Through dilute (∼2%) incorporation of period-four transition metal dopants, we drive a continuous transition from intrinsic n-type semiconducting behavior (pristine) to p-type semiconducting (V, Mn-doped), through a heavily p-doped regime (Fe-doped), and ultimately to a fully metallic state (Cr-doped). In Cr-PtSe2, we observe four-terminal (4T) resistivity as low as 200 Ω and achieve a very high hole carrier density of ∼7.8 × 1014 cm-2, reflecting the strong dopant-induced Fermi level tuning. This study shows a broad, doping-controlled conduction spectrum within a single TMDC, characterizes dopant-host interactions and electronic structure modulation, and is relevant to CMOS-compatible low-bandgap 2D semiconductors.
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