Origin of n-type conductivity of monolayer MoS2

类型(生物学) 兴奋剂 物理 结晶学 材料科学 凝聚态物理 组合数学 数学 化学 生态学 生物
作者
Akash Singh,Abhishek K. Singh
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:99 (12) 被引量:98
标识
DOI:10.1103/physrevb.99.121201
摘要

Monolayer ${\mathrm{MoS}}_{2}$ is a promising two-dimensional material for electronic and optoelectronic devices. As-grown ${\mathrm{MoS}}_{2}$ is an $\mathit{n}$-type semiconductor, however, the origin of this unintentional doping is still not clear. Here, using hybrid density functional theory, we carried out an extensive study of the often observed native point defects, i.e., ${V}_{\text{S}}$, ${V}_{\text{Mo}}$, ${V}_{\text{S2}}$, ${V}_{\text{MoS3}}$, ${V}_{\text{MoS6}}$, ${\mathrm{Mo}}_{\text{S2}}$, and $\mathrm{S}{2}_{\text{Mo}}$, and found that none of them cause $\mathit{n}$-type doping. Specifically, the S vacancy (${V}_{\text{S}}$), which has been widely attributed to $\mathit{n}$-type conductivity, turns out to be an electron compensating center. We report that hydrogen, which is almost always present in the growth environments, is most stable in its interstitial (${\mathrm{H}}_{\text{i}}$) and H-S adatom forms in ${\mathrm{MoS}}_{2}$ and acts as a shallow donor, provided the sample is grown under S-rich condition. Furthermore, they have high migration barriers (in excess of 1 eV), which would ensure their stability even at higher temperatures, and hence lead to $\mathit{n}$-type conductivity.
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