Study of Interlayer Charge Transfer in h-BN/MoS₂ Heterostructures by Fluorination of the h-BN Wrapping Layer

Abstract

2차원 전이금속 칼코겐화합물(TMDs)의 대표적인 물질인 단층 이황화몰리브덴(MoS₂)은 원자 수준의 얇은 구조와 우수한 반도체 특성으로 인해 차세대 반도체 소자로서 높은 잠재력을 보입니다. 본 연구에서는 h-BN/MoS₂ 이종구조에서, h-BN래핑층의 플루오린화를 통해 MoS₂의 전자 및 광학적 특성을 정밀하게 조절할 수 있음을 보고합니다. 플루오린화는 h-BN 층에 강한 전자 끌어당김 효과를 부여하여, 유기 흡착제 없이도 안정적인 층간 전하 이동을 유도하며, MoS₂ 채널에서 강력한 p형 도핑을 가능하게 합니다. 최적의 플루오린화 수준(7.3 at. %)에서 광발광(PL) 강도는 최대 16배 증가하였고, 광자 에너지는 약 30 meV 청색 이동하며, 밴드갭은 1.85 eV에서 1.88 eV로 증가하는 특성을 보였습니다. 이러한 변화는 트라이온(trion) 형성 억제 및 중성 엑시톤(neutral exciton) 재결합 촉진에 기인한 것으로 분석됩니다. 그러나 플루오린화 농도가 과도하게 증가할 경우(>11 at. %), MoS₂ 층에서 구조적 손상이 발생하여 플루오린화 수준의 정밀한 제어가 필요함을 확인하였습니다. 라만(Raman) 분광 및 X-선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 h-BN 층 내에서 B-F 및 N-F 공유 결합의 형성을 확인하였으며, MoS₂와의 화학적 결합은 관찰되지 않았음을 증명하였습니다. 결론적으로, 본 연구는 플루오린화 공정을 통한 2차원 재료의 전자적·광학적 특성 조절 방법을 제안하며, 이를 통해 조절 가능한 p-형 도핑 효과를 구현할 수 있음을 증명하였습니다. 본 연구에서 개발된 플루오린화된 h-BN/MoS₂ 이종구조는 차세대 나노 전자 및 광전자 소자 응용에 있어 유망한 플랫폼으로 활용될 수 있을 것입니다.|Transition metal dichalcogenides (TMDs), such as monolayer molybdenum disulfide (MoS₂), are promising alternatives to silicon for semiconductor applications due to their atomically thin structure and exceptional semiconducting properties. In this work, we demonstrate precise modulation of the optoelectronic and electrical properties of h-BN/MoS₂ heterostructures through fluorination of the h-BN wrapping layer. Fluorination introduces a strong electron-withdrawing effect, enabling stable interlayer charge transfer and inducing pronounced p-type doping in the MoS₂ channel without the need for organic adsorbents. At optimal fluorination levels (7.3 at. %), optical characterizations reveal up to a 16-fold enhancement in photoluminescence (PL) intensity, a ~30-meV blue shift in photon energy, and a bandgap increase from 1.85 eV to 1.88 eV, attributed to suppressed trion formation and enhanced neutral exciton recombination. Excessive fluorination (>11 at. %) leads to structural degradation, underscoring the importance of precise control. XPS analysis confirm covalent B-F and N-F bond formation in h-BN, with no chemical bonding to MoS₂. Overall, this fluorination-based approach offers a scalable and controllable method to modulate properties in 2D heterostructures. By achieving stable and tunable charge transfer effects while preserving structural integrity under optimal conditions, fluorinated h-BN/MoS₂ heterostructures present a promising platform for next-generation nanoelectronics and optoelectronic device applications.