Doping is an effective strategy to modulate the electronic states of a semiconductor and improve its relevant device performance. Here, we propose a realistic monolayer two-dimensional solid electrolyte material of YBr3 to implement the carrier doping on monolayer MoS2. The stabilities, the carrier doping effect, and the electronic structures of Li-, Na-, K-, Ca-, and F-doped monolayer MoS2 through YBr3 based on the MoS2/YBr3 heterostructure have been explored by utilizing first-principles calculations. The insertion of the YBr3 layer improves the stabilities and the carrier doping effect in making monolayer MoS2 as an n-type or p-type semiconductor by looking into the binding energies and the electronic structures. More significantly, no deep impurity energy bands are introduced within the band gap of MoS2. In addition, the work function of MoS2 can be manipulated in the range from 3.59 eV to 6.58 eV due to the charge transfer and the charge redistribution caused by doping. These findings provide an effective and promising route to achieve both n- and p-type doping of monolayer MoS2.

1.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
2.
R.
Ganatra
and
Q.
Zhang
,
ACS Nano
8
,
4074
(
2014
).
3.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
4.
Y.
Guo
and
J.
Robertson
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
233104
(
2016
).
5.
Z.
Li
,
Y.
Li
,
T.
Han
,
X.
Wang
,
Y.
Yu
,
B.
Tay
,
Z.
Liu
, and
Z.
Fang
,
ACS Nano
11
,
1165
(
2017
).
6.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
136805
(
2010
).
7.
A.
Kuc
,
N.
Zibouche
, and
T.
Heine
,
Phys. Rev. B
83
,
245213
(
2011
).
8.
K.-A.
Min
,
J.
Cha
,
K.
Cho
, and
S.
Hong
,
2D Mater.
4
,
024006
(
2017
).
9.
T.
Ohta
,
A.
Bostwick
,
T.
Seyller
,
K.
Horn
, and
E.
Rotenberg
,
Science
313
,
951
(
2006
).
10.
L. L.
Song
,
X. H.
Zheng
,
H.
Hao
,
J.
Lan
,
X. L.
Wang
, and
Z.
Zeng
,
RSC Adv.
4
,
48212
(
2014
).
11.
Y.
Saito
and
Y.
Iwasa
,
ACS Nano
9
,
3192
(
2015
).
12.
C.-C.
Wu
,
D.
Jariwala
,
V. K.
Sangwan
,
T. J.
Marks
,
M. C.
Hersam
, and
L. J.
Lauhon
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
2508
(
2013
).
13.
K.
Dolui
,
I.
Rungger
,
C. D.
Pemmaraju
, and
S.
Sanvito
,
Phys. Rev. B
88
,
075420
(
2013
).
14.
J.
Chang
,
S.
Larentis
,
E.
Tutuc
,
L. F.
Register
, and
S. K.
Banerjee
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
141603
(
2014
).
15.
X. D.
Li
,
Y. M.
Fang
,
S. Q.
Wu
, and
Z. Z.
Zhu
,
AIP Adv.
5
,
057143
(
2015
).
16.
H.
Qiu
,
T.
Xu
,
Z.
Wang
,
W.
Ren
,
H.
Nan
,
Z.
Ni
,
Q.
Chen
,
S.
Yuan
,
F.
Miao
,
F.
Song
,
G.
Long
,
Y.
Shi
,
L.
Sun
,
J.
Wang
, and
X.
Wang
,
Nat. Commun.
4
,
2642
(
2013
).
17.
S.
KC
,
R. C.
Longo
,
R.
Addou
,
R. M.
Wallace
, and
K.
Cho
,
Nanotechnology
25
,
375703
(
2014
).
18.
J.
He
,
K.
Wu
,
R.
Sa
,
Q.
Li
, and
Y.
Wei
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
082504
(
2010
).
19.
P.
Rastogi
,
S.
Kumar
,
S.
Bhowmick
,
A.
Agarwal
, and
Y. S.
Chauhan
,
J. Phys. Chem. C
118
,
30309
(
2014
).
20.
Y.
Zhang
,
J.
Ye
,
Y.
Matsuhashi
, and
Y.
Iwasa
,
Nano Lett.
12
,
1136
(
2012
).
21.
H.
Xu
,
S.
Fathipour
,
E. W.
Kinder
,
A. C.
Seabaugh
, and
S. K.
Fullerton-Shirey
,
ACS Nano
9
,
4900
(
2015
).
22.
A.
Perea
,
M.
Dontigny
, and
K.
Zaghib
,
J. Power Sources
359
,
182
(
2017
).
23.
K.
Xu
,
H.
Lu
,
E. W.
Kinder
,
A.
Seabaugh
, and
S. K.
Fullerton-Shirey
,
ACS Nano
11
,
5453
(
2017
).
24.
P.
Liu
,
F.
Lu
,
M.
Wu
,
X.
Luo
,
Y.
Cheng
,
X.-W.
Wang
,
W.
Wang
,
W. H.
Wang
,
H.
Liu
, and
K.
Cho
,
J. Mater. Chem. C
5
,
9066
(
2017
).
25.
C.
Gong
,
H.
Zhang
,
W. H.
Wang
,
L.
Colombo
,
R. M.
Wallace
, and
K.
Cho
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
053513
(
2013
).
26.
M.
Wu
,
X.
Yao
,
Y.
Hao
,
H.
Dong
,
Y.
Cheng
,
H.
Liu
,
F.
Lu
,
W.
Wang
,
K.
Cho
, and
W. H.
Wang
,
Phys. Lett. A
382
,
111
(
2018
).
27.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
28.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
(
1994
).
29.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
30.
J. D.
Pack
and
H. J.
Monkhorst
,
Phys. Rev. B
16
,
1748
(
1977
).
31.
S.
Grimme
,
J. Comput. Chem.
27
,
1787
1799
(
2006
).
32.
T.
Böker
,
R.
Severin
,
A.
Müller
,
C.
Janowitz
,
R.
Manzke
,
D.
Voß
,
P.
Krüger
,
A.
Mazur
, and
J.
Pollmann
,
Phys. Rev. B
64
,
235305
(
2001
).
33.
L.
Zhang
and
A.
Zunger
,
Nano Lett.
15
,
949
(
2015
).
34.
J.
Kang
,
L.
Zhang
, and
S. H.
Wei
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
597
(
2016
).
35.
E.
Sanville
,
S. D.
Kenny
,
R.
Smith
, and
G.
Henkelman
,
J. Comput. Chem.
28
,
899
(
2007
).
36.
C.
Gong
,
L.
Colombo
,
R.
Wallace
, and
K.
Cho
,
Nano Lett.
14
,
1714
(
2014
).
37.
N.
Kaushik
,
A.
Nipane
,
F.
Basheer
,
S.
Dubey
,
S.
Grover
,
M. M.
Deshmukh
, and
S.
Lodha
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
113505
(
2014
).
38.
A. D.
Bartolomeo
,
A.
Grillo
,
F.
Urban
,
L.
Lemmo
,
F.
Giubileo
,
G.
Luongo
,
G.
Amato
,
L.
Croin
,
L.
Sun
,
S.-J.
Liang
, and
L. K.
Ang
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1800657
(
2018
).
39.
G.
Giovannetti
,
P. A.
Khomyakov
,
G.
Brocks
,
V. M.
Karpan
,
J.
van den Brink
, and
P. J.
Kelly
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
026803
(
2008
).
40.
C.
Gong
,
G.
Lee
,
B.
Shan
,
E. M.
Vogel
,
R. M.
Wallace
, and
K.
Cho
,
J. Appl. Phys.
108
,
123711
(
2010
).
41.
A.
Splendiani
,
L.
Sun
,
Y.
Zhang
,
T.
Li
,
J.
Kim
,
C.-Y.
Chim
,
G.
Galli
, and
F.
Wang
,
Nano Lett.
10
,
1271
(
2010
).
42.
Y.-H.
Lee
,
X.-Q.
Zhang
,
W.
Zhang
,
M.-T.
Chang
,
C.-T.
Lin
,
K.-D.
Chang
,
Y.-C.
Yu
,
J. T.-W.
Wang
,
C.-S.
Chang
,
L.-J.
Li
, and
T.-W.
Lin
,
Adv. Mater.
24
,
2320
(
2012
).
43.
A.
Azizi
,
S.
Eichfeld
,
G.
Geschwind
,
K.
Zhang
,
B.
Jiang
,
D.
Mukherjee
,
L.
Hossain
,
A. F.
Piasecki
,
B.
Kabius
,
J. A.
Robinson
, and
N.
Alem
,
ACS Nano
9
,
4882
(
2015
).
44.
W.
Zhang
,
C.-P.
Chuu
,
J.-K.
Huang
,
C.-H.
Chen
,
M.-L.
Tsai
,
Y.-H.
Chang
,
C.-T.
Liang
,
Y.-Z.
Chen
,
Y.-L.
Chueh
,
J.-H.
He
,
M.-Y.
Chou
, and
L.-J.
Li
,
Sci. Rep.
4
,
3826
(
2015
).
45.
Y.
Gong
,
J.
Lin
,
X.
Wang
,
G.
Shi
,
S.
Lei
,
Z.
Lin
,
X.
Zou
,
G.
Ye
,
R.
Vajtai
,
B. I.
Yakobson
,
H.
Terrones
,
M.
Terrones
,
B. K.
Tay
,
J.
Lou
,
S. T.
Pantelides
,
Z.
Liu
,
W.
Zhou
, and
P. M.
Ajayan
,
Nat. Mater.
13
,
1135
(
2014
).
46.
J. A.
Miwa
,
M.
Dendzik
,
S. S.
Grønborg
,
M.
Bianchi
,
J. V.
Lauritsen
,
P.
Hofmann
, and
S.
Ulstrup
,
ACS Nano
9
,
6502
(
2015
).
47.
L.
Li
,
Y.
Yu
,
G. J.
Ye
,
Q. Q.
Ge
,
X. D.
Ou
,
H.
Wu
,
D. L.
Feng
,
X. H.
Chen
, and
Y. B.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
372
(
2014
).
48.
V.
Popescu
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
85
,
085201
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.