二硫化钼二维原子晶体化学掺杂研究进展

引用本文: 邢垒, 焦丽颖. 二硫化钼二维原子晶体化学掺杂研究进展[J]. 物理化学学报, 2016, 32(9): 2133-2145. doi: 10.3866/PKU.WHXB201606162 shu

Citation: XING Lei, JIAO Li-Ying. Recent Advances in the Chemical Doping of Two-Dimensional Molybdenum Disulfide[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2016, 32(9): 2133-2145. doi: 10.3866/PKU.WHXB201606162 shu

二硫化钼二维原子晶体化学掺杂研究进展

邢垒 ^1,2, ,
焦丽颖 ^2,

1.
北京化工大学化学工程学院, 北京 100029;
2.
清华大学化学系, 北京 100084

摘要: 以二硫化钼（MoS₂）为代表的半导体二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）具有优异的光电特性，在新型电子器件领域展示出广阔的应用前景。二维MoS₂的性能调控与功能协同是实现其在电子器件领域实用化的关键。化学掺杂是调控二维MoS₂的性能并丰富其材料特性最为直接而有效的方法之一。本文重点介绍了基于表面电荷转移、面内取代以及层间插层策略的掺杂方法，讨论了各种掺杂方法的基本原理、最新进展以及局限性，最后展望了二维MoS₂掺杂研究面临的挑战与发展方向。

关键词:

English

Recent Advances in the Chemical Doping of Two-Dimensional Molybdenum Disulfide

XING Lei ^1,2, ,
JIAO Li-Ying ^2,

1.
College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, P. R. China;
2.
Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084, P. R. China
Received Date: 28 March 2016
Revised Date: 14 June 2016
Available Online: 16 June 2016

Abstract: Semiconducting, two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDCs) such as molybdenum disulfide (MoS₂) have attracted significant attention because of their unique properties and promising applications in electronic and optoelectronic devices. However, the controllable tuning of the properties of 2D MoS₂ remains a key challenge with regard to its practical application. Among various approaches to addressing this issue, chemical doping is one of the most efficient. This review focuses on three major doping strategies, which are surface charge transfer, in-plane substitution and interlayer intercalation. We discuss the principles, latest progress and limitations of these doping approaches. Finally, we summarize the current challenges and opportunities associated with the chemical doping of 2D MoS₂.

Key words:

1. [1]
  Perkins, F. K.; Friedman, A. L.; Cobas, E.; Campbell, P. M.; Jernigan, G. G.; Jonker, B. T. Nano Lett. 2013, 13, 668.doi: 10.1021/nl3043079
2. [2]
  Lee, H. S.; Min, S.W.; Chang, Y. G.; Park, M. K.; Nam, T.; Kim, H.; Kim, J. H.; Ryu, S.; Im, S. Nano Lett. 2012, 12, 3695.doi: 10.1021/nl301485q
3. [3]
  Wang, H.; Yu, L.; Lee, Y. H.; Shi, Y.; Hsu, A.; Chin, M. L.; Li, L. J.; Dubey, M.; Kong, J.; Palacios, T. Nano Lett. 2012, 12, 4674. doi: 10.1021/nl302015v
4. [4]
  Bertolazzi, S.; Krasnozhon, D.; Kis, A. ACS Nano 2013, 7, 3246. doi: 10.1021/nn3059136
5. [5]
  Biscaras, J.; Chen, Z.; Paradisi, A.; Shukla, A. Nat. Commun. 2015, 6, 8826, doi: 10.1038/ncomms9826
6. [6]
  Ye, J. T.; Zhang, Y. J.; Akashi, R.; Bahramy, M. S.; Arita, R.; Iwasa, Y. Science 2012, 338, 1193. doi: 10.1126/science.1228006
7. [7]
  Taniguchi, K.; Matsumoto, A.; Shimotani, H.; Takagi, H. Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 042603. doi: 10.1063/1.4740268
8. [8]
  Chen, P.; Chan, Y. H.; Fang, X. Y.; Zhang, Y.; Chou, M. Y.; Mo, S. K.; Hussain, Z.; Fedorov, A. V.; Chiang, T. C. Nat. Commun. 2015, 6, 8943. doi: 10.1038/ncomms9943
9. [9]
  Hellmann, S.; Rohwer, T.; Kallane, M.; Hanff, K.; Sohrt, C.; Stange, A.; Carr, A.; Murnane, M. M.; Kapteyn, H. C.; Kipp, L.; Bauer, M.; Rossnagel, K. Nat. Commun. 2012, 3, 1069.doi: 10.1038/ncomms2078
10. [10]
  Wang, Q. H.; Kalantar-Zadeh, K.; Kis, A.; Coleman, J. N.; Strano, M. S. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 699. doi: 10.1038/nnano.2012.193.
11. [11]
  Radisavljevic, B.; Kis, A. Nat. Mater. 2013, 12, 815.doi: 10.1038/nmat3687
12. [12]
  Chhowalla, M.; Shin, H. S.; Eda, G.; Li, L. J.; Loh, K. P.; Zhang, H. Nat. Chem. 2013, 5, 263. doi: 10.1038/nchem.1589
13. [13]
  Shim, M.; Javey, A.; Shi Kam, N.W.; Dai, H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11512. doi: 10.1021/ja0169670
14. [14]
  Javey, A.; Tu, R.; Farmer, D. B.; Guo, J.; Gordon, R. G.; Dai, H.Nano Lett. 2005, 5, 345. doi: 10.1021/nl047931j
15. [15]
  Klinke, C.; Chen, J.; Afzali, A.; Avouris, P. Nano Lett. 2005, 5, 555. doi: 10.1021/nl048055c
16. [16]
  Ohta, T.; Bostwick, A.; Seyller, T.; Horn, K.; Rotenberg, E.Science 2006, 313, 951. doi: 10.1126/science.1130681
17. [17]
  Huang, J.; Xu, Z.; Yang, Y. Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 1966.doi: 10.1002/adfm.200700051
18. [18]
  Du, Y.; Liu, H.; Neal, A. T.; Si, M.; Ye, P. D. IEEE Electron Device Letters 2013, 34, 1328, doi: 10.1109/led.2013.2277311.
19. [19]
  Li, Y.; Xu, C. Y.; Hu, P.; Zhen, L. ACS Nano 2013, 7, 7795.doi: 10.1021/nn402682j
20. [20]
  Fang, H.; Tosun, M.; Seol, G.; Chang, T. C.; Takei, K.; Guo, J.; Javey, A. Nano Lett. 2013, 13, 1991. doi: 10.1021/nl400044m
21. [21]
  Lin, J.; Zhong, J.; Zhong, S.; Li, H.; Zhang, H.; Chen, W. Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 063109. doi: 10.1063/1.4818463
22. [22]
  Mouri, S.; Miyauchi, Y.; Matsuda, K. Nano Lett. 2013, 13, 5944.doi: 10.1021/nl403036h
23. [23]
  Bhanu, U.; Islam, M. R.; Tetard, L.; Khondaker, S. I. Scientific Reports 2014, 4, 5575. doi: 10.1038/srep05575
24. [24]
  Tongay, S.; Zhou, J.; Ataca, C.; Liu, J.; Kang, J. S.; Matthews, T.S.; You, L.; Li, J.; Grossman, J. C.; Wu, J. Nano Lett. 2013, 13, 2831. doi: 10.1021/nl4011172
25. [25]
  Kong, J.; Zhou, C.; Yenilmez, E.; Dai, H. Appl. Phys. Lett. 2000, 77, 3977. doi: 10.1063/1.1331088
26. [26]
  Irimia-Vladu, M.; Marjanovic, N.; Vlad, A.; Ramil, A. M.; Hernandez-Sosa, G.; Schwoödiauer, R.; Bauer, S.; Sariciftci, N.S. Adv. Mater. 2008, 20, 3887. doi: 10.1002/adma.200801024
27. [27]
  Zhang, H. L.; Chen, W.; Chen, L.; Huang, H.; Wang, X. S.; Yuhara, J.; Wee, A. T. Small 2007, 3, 2015. doi: 10.1002/smll.200700381
28. [28]
  Guldi, D. M.; Illescas, B. M.; Atienza, C. M.; Wielopolski, M.; Martin, N. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1587, doi: 10.1039/b900402p
29. [29]
  Xie, L.; Wang, X.; Mao, H.; Wang, R.; Ding, M.; Wang, Y.; Özyilmaz, B.; Ping Loh, K.; Wee, A. T. S.; Ariando; Chen, W.Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 012112. doi: 10.1063/1.3609318
30. [30]
  Zhao, Y.; Chen, J.; Chen, W.; Ma, D. J. Appl. Phys. 2012, 111, 043716, doi: 10.1063/1.3687933
31. [31]
  Xu, Z.; Chen, L. M.; Yang, G.; Huang, C. H.; Hou, J.; Wu, Y.; Li, G.; Hsu, C. S.; Yang, Y. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 1227.doi: 10.1002/adfm.200801286
32. [32]
  Liao, H. H.; Chen, L. M.; Xu, Z.; Li, G.; Yang, Y. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 173303. doi: 10.1063/1.2918983
33. [33]
  Huang, J.; Li, G.; Yang, Y. Adv. Mater. 2008, 20, 415.doi: 10.1002/adma.200701101
34. [34]
  Huang, J.; Watanabe, T.; Ueno, K.; Yang, Y. Adv. Mater. 2007, 19, 739. doi: 10.1002/adma.200601040
35. [35]
  Wu, C. I.; Lin, C. T.; Chen, Y. H.; Chen, M. H.; Lu, Y. J.; Wu, C.C. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 152104. doi: 10.1063/1.2192982
36. [36]
  Li, G.; Chu, C.W.; Shrotriya, V.; Huang, J.; Yang, Y. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 253503. doi: 10.1063/1.2212270.
37. [37]
  Lin, J. D.; Han, C.; Wang, F.; Wang, R.; Xiang, D.; Qin, S.; Zhang, X. A.; Wang, L.; Zhang, H.; Wee, A. T.; Chen, W. ACS Nano 2014, 8, 5323. doi: 10.1021/nn501580c
38. [38]
  Rai, A.; Valsaraj, A.; Movva, H. C.; Roy, A.; Ghosh, R.; Sonde, S.; Kang, S.; Chang, J.; Trivedi, T.; Dey, R.; Guchhait, S.; Larentis, S.; Register, L. F.; Tutuc, E.; Banerjee, S. K. Nano Lett. 2015, 15, 4329. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b00314
39. [39]
  Tarasov, A.; Zhang, S.; Tsai, M. Y.; Campbell, P. M.; Graham, S.; Barlow, S.; Marder, S. R.; Vogel, E. M. Adv. Mater. 2015, 27, 1175. doi: 10.1002/adma.201404578
40. [40]
  Park, H. Y.; Lim, M. H.; Jeon, J.; Yoo, G.; Kang, D. H.; Jang, S.K.; Jeon, M. H.; Lee, Y.; Cho, J. H.; Yeom, G. Y.; Jung, W. S.; Lee, J.; Park, S.; Lee, S.; Park, J. H. ACS Nano 2015, 9, 2368.doi: 10.1021/acsnano.5b00153
41. [41]
  Cho, K.; Min, M.; Kim, T. Y.; Jeong, H.; Pak, J.; Kim, J. K.; Jang, J.; Yun, S. J.; Lee, Y. H.; Hong, W. K.; Lee, T. ACS Nano 2015, 9, 8044. doi: 10.1021/acsnano.5b04400
42. [42]
  Kiriya, D.; Tosun, M.; Zhao, P.; Kang, J. S.; Javey, A. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7853, doi: 10.1021/ja5033327
43. [43]
  Dolui, K.; Rungger, I.; Das Pemmaraju, C.; Sanvito, S. Physical Review B 2013, 88. doi: 10.1103/PhysRevB.88.075420
44. [44]
  Title, R. S.; Shafer, M.W. Phys. Rev. Lett. 1972, 28, 808.doi: 10.1103/PhysRevLett.28.808
45. [45]
  Wilson, J. A.; Yoffe, A. D. Adv. Phys. 1969, 18, 193.doi: 10.1080/00018736900101307
46. [46]
  Ivanovskaya, V. V.; Zobelli, A.; Gloter, A.; Brun, N.; Serin, V.; Colliex, C. Phys. Rev. B 2008, 78. doi: 10.1103/PhysRevB.78.134104
47. [47]
  Suh, J.; Park, T. E.; Lin, D. Y.; Fu, D.; Park, J.; Jung, H. J.; Chen, Y.; Ko, C.; Jang, C.; Sun, Y.; Sinclair, R.; Chang, J.; Tongay, S.; Wu, J. Nano Lett. 2014, 14, 6976. doi: 10.1021/nl503251h.
48. [48]
  Laskar, M. R.; Nath, D. N.; Ma, L.; Lee, E.W.; Lee, C. H.; Kent, T.; Yang, Z.; Mishra, R.; Roldan, M. A.; Idrobo, J. C.; Pantelides, S. T.; Pennycook, S. J.; Myers, R. C.; Wu, Y.; Rajan, S. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 092104. doi: 10.1063/1.4867197
49. [49]
  Ramasubramaniam, A.; Naveh, D. Phys. Rev. B 2013, 87.doi: 10.1103/PhysRevB.87.195201
50. [50]
  Zhang, K.; Feng, S.; Wang, J.; Azcatl, A.; Lu, N.; Addou, R.; Wang, N.; Zhou, C.; Lerach, J.; Bojan, V.; Kim, M. J.; Chen, L.Q.; Wallace, R. M.; Terrones, M.; Zhu, J.; Robinson, J. A. Nano Lett. 2015, 15, 6586. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b02315
51. [51]
  Gong, Y.; Liu, Z.; Lupini, A. R.; Shi, G.; Lin, J.; Najmaei, S.; Lin, Z.; Elias, A. L.; Berkdemir, A.; You, G.; Terrones, H.; Terrones, M.; Vajtai, R.; Pantelides, S. T.; Pennycook, S. J.; Lou, J.; Zhou, W.; Ajayan, P. M. Nano Lett. 2014, 14, 442.doi: 10.1021/nl4032296
52. [52]
  Yang, L.; Fu, Q.; Wang, W.; Huang, J.; Huang, J.; Zhang, J.; Xiang, B. Nanoscale 2015, 7, 10490. doi: 10.1039/c5nr02652k
53. [53]
  Li, H.; Duan, X.; Wu, X.; Zhuang, X.; Zhou, H.; Zhang, Q.; Zhu, X.; Hu, W.; Ren, P.; Guo, P.; Ma, L.; Fan, X.; Wang, X.; Xu, J.; Pan, A.; Duan, X. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3756.doi: 10.1021/ja500069b.
54. [54]
  Zhou, W.; Hou, D.; Sang, Y.; Yao, S.; Zhou, J.; Li, G.; Li, L.; Liu, H.; Chen, S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 11358.doi: 10.1039/c4ta01898b.
55. [55]
  Qin, S.; Lei, W.; Liu, D.; Chen, Y. Scientific Reports 2014, 4, 7582. doi: 10.1038/srep07582
56. [56]
  Chen, M.; Nam, H.; Wi, S.; Ji, L.; Ren, X.; Bian, L.; Lu, S.; Liang, X. Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 142110. doi: 10.1063/1.4824205
57. [57]
  Kim, E.; Ko, C.; Kim, K.; Chen, Y.; Suh, J.; Ryu, S. G.; Wu, K.; Meng, X.; Suslu, A.; Tongay, S.; Wu, J.; Grigoropoulos, C. P.Adv. Mater. 2016, 28, 341. doi: 10.1002/adma.201503945
58. [58]
  Fan, X.; Xu, P.; Zhou, D.; Sun, Y.; Li, Y. C.; Nguyen, M. A.; Terrones, M.; Mallouk, T. E. Nano Lett. 2015, 15, 5956.doi: 10.1021/acs.nanolett.5b02091.
59. [59]
  Enyashin, A. N.; Yadgarov, L.; Houben, L.; Popov, I.; Weidenbach, M.; Tenne, R.; Bar-Sadan, M.; Seifert, G. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 24586. doi: 10.1021/jp2076325
60. [60]
  Acerce, M.; Voiry, D.; Chhowalla, M. Nat. Nanotechnol 2015, 10, 313. doi: 10.1038/nnano.2015.40
61. [61]
  Lukowski, M. A.; Daniel, A. S.; Meng, F.; Forticaux, A.; Li, L.; Jin, S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10274. doi: 10.1021/ja404523s
62. [62]
  Xiong, F.; Wang, H.; Liu, X.; Sun, J.; Brongersma, M.; Pop, E.; Cui, Y. Nano Lett. 2015, 15, 6777. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b02619
63. [63]
  Gao, P.; Wang, L.; Zhang, Y.; Huang, Y.; Liu, K. ACS Nano 2015, 9, 11296. doi: 10.1021/acsnano.5b04950
64. [64]
  Wang, L.; Xu, Z.; Wang, W.; Bai, X. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6693. doi: 10.1021/ja501686w
65. [65]
  Hwang, H.; Kim, H.; Cho, J. Nano Lett. 2011, 11, 4826.doi: 10.1021/nl202675f
66. [66]
  Ye, L.; Chen, S.; Li, W.; Pi, M.; Wu, T.; Zhang, D. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 9560. doi: 10.1021/jp5128018

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 23
文章访问数: 1980
HTML全文浏览量: 395

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

二硫化钼二维原子晶体化学掺杂研究进展

English

Recent Advances in the Chemical Doping of Two-Dimensional Molybdenum Disulfide

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

二硫化钼二维原子晶体化学掺杂研究进展

English

Recent Advances in the Chemical Doping of Two-Dimensional Molybdenum Disulfide

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南： 你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs