第一作者：郑弼元

通讯作者：李东，李晟曼

通讯单位：湖南大学

研究背景

二维（2D）材料光电性质的动态调控对于其功能设计和应用具有重要意义。之前的工作表明，引入外来原子掺杂是一种调节三维（3D）材料能带结构和其相关性质与应用的可行办法；然而，这种方法在2D材料中仍有待探索。二硫化钼（MoS₂）作为一种典型的二维半导体，具有直接带隙和高迁移率，在光电器件中具有巨大的应有潜力。在MoS₂中引入钒（V）元素，能够有效调控MoS₂的光电性质。

文章简介

湖南大学团队通过化学气相沉积（CVD）法实现了V掺杂MoS₂的合成。V原子成功的取代了部分Mo原子，并均匀地分布在被掺杂的MoS₂中。研究表明，V掺杂MoS₂（低掺杂浓度）中B激子发射明显增强。此外，在V掺杂MoS₂中，随着掺杂剂的增加，典型的p型导电特性逐渐出现。最重要的是，V掺杂MoS₂还可以用于实现可见-红外波段的宽带光电探测器。

研究团队不仅可控制备了V掺杂的MoS₂，还对其光致发光性质和光电器件应用做了系统研究，相关工作以Vapor growth of V-doped MoS₂monolayers with enhanced B-exciton emission and broad spectral response为题于近期发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。

图文导读

创新点一：V掺杂MoS₂的可控制备

研究团队利用碘化钾（KI）辅助的CVD法，实现了V掺杂MoS₂的制备。结果表明，所得三角形V掺杂MoS₂纳米片的横向尺寸可以达到100微米；所得样品具有较高的单层率（>90%）。原子相分辨扫描透射电子显微镜照片结果显示，V原子在MoS₂中分布均匀。X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱进一步证明V原子被成功的掺杂到了MoS₂中。

图1 V掺杂MoS₂的气相生长和原子力显微镜（AFM）表征示意图。（a）V掺杂MoS₂的合成过程示意图；（b）V掺杂单层MoS₂晶体结构的侧视图和俯视图；（c）V掺杂MoS₂的光学图像；（d）V掺杂MoS₂的AFM图像。

图2 V掺杂单层MoS₂的结构和化学组成。（a）V掺杂MoS₂的环形暗场扫描透射电镜（ADF-STEM）图像；（b）透射电子显微镜-能量色散X射线光谱（TEM-EDX）图，显示V原子摩尔分数为0.11；（c）V掺杂MoS₂的选区电子衍射（SAED）图；（d）V掺杂MoS₂的高分辨率扫描透射电子显微镜（HRSTEM）图像，V原子被黄色点状圆高亮显示；（e，f）实验和模拟的HRSTEM图像；（g）实验和模拟的电子散射强度图。

图3 V掺杂单层MoS₂的XPS和Raman表征。（a）V掺杂MoS₂和纯MoS₂的XPS图谱；（b）V掺杂MoS₂和纯MoS₂的Raman图谱；（c₁）V掺杂单层MoS₂的光致发光强度分布图；（c₂）-（c₄）V掺杂单层MoS₂的拉曼强度分布图。

创新点二：V-掺杂MoS₂的B激子增强研究

稳态光致发光（PL）的研究结果表明，由于V原子的掺杂有效地减小了单层MoS₂中A和B激子之间的自旋轨道劈裂，V掺杂的MoS₂的B激子发射相比于纯MoS₂明显增强。这一结果进一步的被功率和温度依赖的光致发光结果所证实。

图4 V掺杂MoS₂的光学表征。（a）V掺杂MoS₂的光学图像和（b，c）在1.80 eV和1.91 eV处的PL强度分布图；（d）纯MoS₂和V掺杂MoS₂的归一化PL光谱；（e）功率密度为2~1240 μW的激光激发下发射光谱的二维图；（f）A和B激子的PL积分强度；（g）V掺杂MoS₂在40~300 K的PL光谱；（h）V掺杂单层MoS₂的变温PL光谱的二维图；（i）光学带隙和PL半峰宽随温度变化的关系图。

创新点三：V-掺杂MoS₂的宽波段光电探测器

最后，研究团队对合成的一系列具有不同V掺杂浓度的MoS₂做了光电器件测试。结果表明，随着V掺杂浓度的增加，所得V掺杂MoS₂出现了由N型向双极性向轻微P型的转变。当掺杂浓度过高时（>11%），所得纳米片场效应晶体管的关态电流明显上升，这表明过高的掺杂浓度将导致纳米片由非简并半导体转变为简并半导体。制备了基于V_0.02Mo_0.98S₂纳米片的光电探测器，该器件展现出了从可见到近红外的宽波段响应的特征。

图5 V掺杂MoS₂的电输运和光电特性。（a）V掺杂MoS₂的器件原理图；（b）单层MoS₂、V_0.02Mo_0.98S₂、V_0.05Mo_0.95S₂和V_0.11Mo_0.89S₂的转移特性；（c）V_0.02Mo_0.98S₂晶体管的输出特性；（d）V掺杂MoS₂器件在暗态和980 nm激光照射下的I-V曲线；450、633和980 nm激光照射下V掺杂MoS₂器件的（e）光电流、（f）响应度和（g）探测率随照射功率密度的变化；（h）时间分辨光响应谱图。

总结和展望

研究团队利用碱金属辅助CVD生长法合成了一系列V掺杂的MoS₂。通过XPS、Raman、STEM和电输运测试对样品进行了系统的表征，证实了V原子均匀掺杂到MoS₂样品中。在掺杂样品中观察到了增强的B激子发射，并利用稳态变温PL实验对其发射行为进行了系统研究。电输运测量表明，V掺杂的单层MoS₂中出现了P型导电增强的特征。此外，基于V掺杂单层MoS₂的光电探测器表现出从可见光到近红外光的宽光谱响应。合成的V掺杂MoS₂纳米片可以为光电子学相关的基础研究和应用提供新的材料平台。

作者介绍

李东：教授，湖南大学材料科学与工程学院。

李东(1990-)，男，理学博士，湖南大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。2013年毕业于同济大学物理科学与工程学院获理学学士学位，同年直博，继续就读于同济大学物理科学与工程学院，师从张增星教授，2018年1月毕业被授予理学博士学位。2018年3月入职湖南大学材料科学与工程学院。湖南省青年科技工作者协会理事，中国青年科技工作者协会会员。

主要研究领域为二维材料及异质结，包括材料生长动力学、材料内部载流子动力学、纳米电子与光电子器件制备、物性及应用研究。在Nature Nanotech., Nature Electron., Adv. Mater., Light Sci. Appl., JACS等国际知名期刊上发表学术论文六十余篇，研究工作多次被相关媒体作为亮点报导。