Gated molybdenum disulfide (MoS2) exhibits a rich phase diagram upon increasing electron doping, including a superconducting phase, a polaronic reconstruction of the band structure, and structural transitions away from the 2H polytype. The average time between two charge-carrier scattering events—the scattering lifetime—is a key parameter to describe charge transport and obtain physical insight into the behavior of such a complex system. In this paper, we combine the solution of the Boltzmann transport equation (based on ab initio density-functional theory calculations of the electronic band structure) with the experimental results concerning the charge-carrier mobility in order to determine the scattering lifetime in gated MoS2 nanolayers as a function of electron doping and temperature. From these dependencies, we assess the major sources of charge-carrier scattering upon increasing band filling and discover two narrow ranges of electron doping where the scattering lifetime is strongly suppressed. We identify the opening of additional intervalley scattering channels connecting the simultaneously filled K/K and Q/Q valleys in the Brillouin zone as the source of these reductions, which are triggered by the two Lifshitz transitions induced by the filling of the high-energy Q/Q valleys upon increasing electron doping.

1.
J. T.
Ye
,
S.
Inoue
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Kasahara
,
H. T.
Yuan
,
H.
Shimotani
, and
Y.
Iwasa
,
Nat. Mater.
9
,
125
(
2010
).
2.
J. T.
Ye
,
Y. J.
Zhang
,
R.
Akashi
,
M. S.
Bahramy
,
R.
Arita
, and
Y.
Iwasa
,
Science
338
,
1193
(
2012
).
3.
S.
Jo
,
D.
Costanzo
,
H.
Berger
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nano Lett.
15
,
1197
(
2015
).
4.
W.
Shi
,
J. T.
Ye
,
Y.
Zhang
,
R.
Suzuki
,
M.
Yoshida
,
J.
Miyazaki
,
N.
Inoue
,
Y.
Saito
, and
Y.
Iwasa
,
Sci. Rep.
5
,
12534
(
2015
).
5.
Y.
Yu
,
F.
Yang
,
X. F.
Lu
,
Y. J.
Yan
,
Y.-H.
Cho
,
L.
Ma
,
X.
Niu
,
S.
Kim
,
Y.-W.
Son
,
D.
Feng
,
S.
Li
,
S.-W.
Cheong
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
270
(
2015
).
6.
Y.
Saito
and
Y.
Iwasa
,
ACS Nano
9
,
3192
(
2015
).
7.
E.
Piatti
,
A.
Sola
,
D.
Daghero
,
G. A.
Ummarino
,
F.
Laviano
,
J. R.
Nair
,
C.
Gerbaldi
,
R.
Cristiano
,
A.
Casaburi
, and
R. S.
Gonnelli
,
J. Supercond. Novel Magn.
29
,
587
591
(
2016
).
8.
L. J.
Li
,
E. C. T.
O’Farrel
,
K. P.
Loh
,
G.
Eda
,
B.
Özyilmaz
, and
A. H.
Castro Neto
,
Nature
529
,
185
(
2016
).
9.
Y.
Wang
,
J.
Xiao
,
H.
Zhu
,
Y.
Li
,
Y.
Alsaid
,
K. Y.
Fong
,
Y.
Zhou
,
S.
Wang
,
W.
Shi
,
Y.
Wang
,
A.
Zettl
,
E. J.
Reed
, and
X.
Zhang
,
Nature
550
,
487
(
2016
).
10.
X.
Xi
,
H.
Berger
,
L.
Forró
,
J.
Shan
, and
K. F.
Mak
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
106801
(
2016
).
11.
D.
Ovchinnikov
,
F.
Gargiulo
,
A.
Allain
,
D. J.
Pasquier
,
D.
Dumcenco
,
C.-H.
Ho
,
O. V.
Yazyev
, and
A.
Kis
,
Nat. Commun.
7
,
12391
(
2016
).
12.
J.
Shiogai
,
Y.
Ito
,
T.
Mitsuhashi
,
T.
Nojima
, and
A.
Tsukazaki
,
Nat. Phys.
12
,
42
(
2016
).
13.
B.
Lei
,
J. H.
Cui
,
Z. J.
Xiang
,
C.
Shang
,
N. Z.
Wang
,
G. J.
Ye
,
X. G.
Luo
,
T.
Wu
,
Z.
Sun
, and
X. H.
Chen
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
077002
(
2016
).
14.
E.
Piatti
,
D.
Daghero
,
G. A.
Ummarino
,
F.
Laviano
,
J. R.
Nair
,
R.
Cristiano
,
A.
Casaburi
,
C.
Portesi
,
A.
Sola
, and
R. S.
Gonnelli
,
Phys. Rev. B
95
,
140501
(
2017
).
15.
J.
Zeng
,
E.
Liu
,
Y.
Fu
,
Z.
Chen
,
C.
Pan
,
C.
Wang
,
M.
Wang
,
Y.
Wang
,
K.
Xu
,
S.
Cai
,
X.
Yan
,
Y.
Wang
,
X.
Liu
,
P.
Wang
,
S.-J.
Liang
,
Y.
Cui
,
H. Y.
Hwang
,
H.
Yuan
, and
F.
Miao
,
Nano Lett.
18
,
1410
(
2018
).
16.
Y.
Deng
,
Y.
Yu
,
Y.
Song
,
J.
Zhang
,
N. Z.
Wang
,
Z.
Sun
,
Y.
Yi
,
Y. Z.
Wu
,
S.
Wu
,
J.
Zhu
,
J.
Wang
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nature
563
,
94
99
(
2018
).
17.
Z.
Wang
,
T.
Zhang
,
M.
Ding
,
B.
Dong
,
Y.
Li
,
M.
Chen
,
X.
Li
,
J.
Huang
,
H.
Wang
,
X.
Zhao
,
Y.
Li
,
D.
Li
,
C.
Jia
,
L.
Sun
,
H.
Guo
,
Y.
Ye
,
D.
Sun
,
Y.
Chen
,
T.
Yang
,
J.
Zhang
,
S.
Ono
,
Z.
Han
, and
Z.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
554
559
(
2018
).
18.
E.
Piatti
,
T.
Hatano
,
D.
Daghero
,
F.
Galanti
,
C.
Gerbaldi
,
S.
Guastella
,
C.
Portesi
,
I.
Nakamura
,
R.
Fujimoto
,
K.
Iida
,
H.
Ikuta
, and
R. S.
Gonnelli
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
044801
(
2019
).
19.
X.
Ren
,
Y.
Wang
,
Z.
Xie
,
F.
Xue
,
C.
Leighton
, and
C. D.
Frisbie
,
Nano Lett.
19
,
4738
4744
(
2019
).
20.
E.
Piatti
,
A.
Pasquarelli
, and
R. S.
Gonnelli
,
Appl. Surf. Sci.
528
,
146795
(
2020
).
21.
R. A.
Klemm
,
Layered Superconductors
(
Oxford University Press
,
Oxford, UK
,
2012
), Vol. 1.
23.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
24.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
136805
(
2010
).
25.
A.
Splendiani
,
L.
Sun
,
Y.
Zhang
,
T.
Li
,
J.
Kim
,
C.-Y.
Chim
,
G.
Galli
, and
F.
Wang
,
Nano Lett.
10
,
1271
1275
(
2010
).
26.
A. C.
Ferrari
et al.,
Nanoscale
7
,
4598
4810
(
2015
).
27.
K. F.
Mak
and
J.
Shan
,
Nat. Photonics
10
,
216
(
2016
).
28.
R.
Zhang
,
I.-L.
Tsai
,
J.
Chapman
,
E.
Khestanova
,
J.
Waters
, and
I. V.
Grigorieva
,
Nano Lett.
16
,
629
(
2016
).
29.
E.
Piatti
,
Q. H.
Chen
, and
J. T.
Ye
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
013106
(
2017
).
30.
J.
Biscaras
,
Z.
Chen
,
A.
Paradisi
, and
A.
Shukla
,
Nat. Commun.
6
,
8826
(
2015
).
31.
D.
Costanzo
,
H.
Zhang
,
B. A.
Reddy
,
H.
Berger
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
483
488
(
2018
).
32.
A.
Kormányos
,
V.
Zólyomi
,
N. D.
Drummond
,
P.
Rakyta
,
G.
Burkard
, and
V. I.
Fal’ko
,
Phys. Rev. B
88
,
045416
(
2013
).
33.
N. F.
Yuan
,
K. F.
Mak
, and
K.
Law
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
097001
(
2014
).
34.
T.
Brumme
,
M.
Calandra
, and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. B
91
,
155436
(
2015
).
35.
T.
Brumme
,
M.
Calandra
, and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. B
93
,
081407
(
2016
).
36.
M.
Kang
,
B.
Kim
,
S. H.
Ryu
,
S. W.
Jung
,
J.
Kim
,
L.
Moreschini
,
C.
Jozwiak
,
E.
Rotenberg
,
A.
Bostwick
, and
K. S.
Kim
,
Nano Lett.
17
,
1610
(
2017
).
37.
R.
Roldán
,
J. A.
Silva-Guillén
,
M. P.
López-Sancho
,
F.
Guinea
,
E.
Cappelluti
, and
P.
Ordejón
,
Ann. Phys. (Berlin)
526
,
347
(
2014
).
38.
W.
Zhao
,
R. M.
Ribeiro
, and
G.
Eda
,
Acc. Chem. Res.
48
,
91
(
2015
).
39.
J. M.
Lu
,
O.
Zheliuk
,
I.
Leermakers
,
N. F. Q.
Yuan
,
U.
Zeitler
,
K. T.
Law
, and
J. T.
Ye
,
Science
350
,
1353
(
2015
).
40.
Y.
Saito
,
Y.
Nakamura
,
M. S.
Bahramy
,
Y.
Kohama
,
J.
Ye
,
Y.
Kasahara
,
Y.
Nakagawa
,
M.
Onga
,
M.
Tokunaga
,
T.
Nojima
,
Y.
Yanase
, and
Y.
Iwasa
,
Nat. Phys.
12
,
144
149
(
2016
).
41.
E.
Piatti
,
D.
De Fazio
,
D.
Daghero
,
S. R.
Tamalampudi
,
D.
Yoon
,
A. C.
Ferrari
, and
R. S.
Gonnelli
,
Nano Lett.
18
,
4821
4830
(
2018
).
42.
H.
Zhang
,
C.
Berthod
,
H.
Berger
,
T.
Giamarchi
, and
A. F.
Morpurgo
,
Nano Lett.
19
,
8836
8845
(
2019
).
43.
T.
Brumme
,
M.
Calandra
, and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. B
89
,
245406
(
2014
).
44.
T.
Sohier
,
M.
Calandra
, and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. B
96
,
075448
(
2017
).
45.
E.
Piatti
,
D.
Romanin
,
R. S.
Gonnelli
, and
D.
Daghero
,
Appl. Surf. Sci.
461
,
269
275
(
2018
).
46.
D.
Romanin
,
Th.
Sohier
,
D.
Daghero
,
F.
Mauri
,
R. S.
Gonnelli
, and
M.
Calandra
,
Appl. Surf. Sci.
496
,
143709
(
2019
).
47.
D.
Romanin
,
G. A.
Ummarino
, and
E.
Piatti
, “Migdal–Eliashberg theory of multi-band high-temperature superconductivity in field-effect-doped hydrogenated (111) diamond,”
Appl. Surf. Sci.
(in press), arXiv:2002.11554 (2020).
48.
R. S.
Gonnelli
,
E.
Piatti
,
A.
Sola
,
M.
Tortello
,
F.
Dolcini
,
S.
Galasso
,
J. R.
Nair
,
C.
Gerbaldi
,
E.
Cappelluti
,
M.
Bruna
, and
A. C.
Ferrari
,
2D Mater.
4
,
035006
(
2017
).
49.
E.
Piatti
,
S.
Galasso
,
M.
Tortello
,
J. R.
Nair
,
C.
Gerbaldi
,
M.
Bruna
,
S.
Borini
,
D.
Daghero
, and
R. S.
Gonnelli
,
Appl. Surf. Sci.
395
,
37
(
2017
).
50.
E.
Piatti
,
D.
Romanin
,
D.
Daghero
, and
R. S.
Gonnelli
,
Low Temp. Phys.
45
(
11
),
1143
1155
(
2019
).
51.
P.
Giannozzi
et al.,
J. Phys. Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
52.
P.
Giannozzi
et al.,
J. Phys. Condens. Matter
29
,
465901
(
2017
).
53.
T.
Sohier
,
D.
Campi
,
N.
Marzari
, and
M.
Gibertini
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
114010
(
2018
).
54.
G.
Madsen
and
D.
Singh
,
Comput. Phys. Commun.
175
,
67
(
2006
).
55.
N.
Ashcroft
and
N.
Mermin
,
Solid State Physics
(
Saunders College
,
Philadelphia, PA
,
1976
).
56.
E.
Piatti
,
D.
Romanin
, and
R. S.
Gonnelli
,
J. Phys. Condens. Matter
31
,
114002
(
2019
).
57.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
58.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
59.
S.
Grimme
,
J. Comput. Chem.
27
,
1787
(
2006
).
60.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
61.
R. S.
Gonnelli
,
D.
Daghero
,
M.
Tortello
,
G. A.
Ummarino
,
Z.
Bukowski
,
J.
Karpinski
,
P. G.
Reuvekamp
,
R. K.
Kremer
,
G.
Profeta
,
K.
Suzuki
, and
K.
Kuroki
,
Sci. Rep.
6
,
26394
(
2016
).
62.
Z.
Yu
,
Z.-Y.
Ong
,
S.
Li
,
J.-B.
Xu
,
G.
Zhang
,
Y.-W.
Zhang
,
Y.
Shi
, and
X.
Wang
,
Adv. Funct. Mater.
27
,
1604039
(
2017
).
63.
M. M.
Perera
,
M.-W.
Lin
,
H.-J.
Chuang
,
B. P.
Chamlagain
,
C.
Wang
,
X.
Tan
,
M. M.-C.
Cheng
,
D.
Tománek
, and
Z.
Zhou
,
ACS Nano
7
,
4449
4458
(
2013
).
64.
P.
Gallagher
,
M.
Lee
,
T. A.
Petach
,
S. W.
Stanwyck
,
J. R.
Williams
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
D.
Goldhaber-Gordon
,
Nat. Commun.
6
,
6437
(
2015
).
65.
E.
Piatti
,
F.
Galanti
,
G.
Pippione
,
A.
Pasquarelli
, and
R. S.
Gonnelli
,
Eur. Phys. J. Spec. Top.
228
,
689
(
2019
).
66.
J.
Lu
,
O.
Zheliuk
,
Q.
Chen
,
I.
Leermakers
,
N. E.
Hussey
,
U.
Zeitler
, and
J.
Ye
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
115
,
3551
(
2018
).
67.
E.
Piatti
,
Q. H.
Chen
,
M.
Tortello
,
J. T.
Ye
, and
R. S.
Gonnelli
,
Appl. Surf. Sci.
461
,
269
275
(
2018
).
68.
J.
Appel
,
Phys. Rev.
125
,
1815
1823
(
1962
).
69.
J. T.
Ye
,
M.
Craciun
,
M.
Koshino
,
S.
Russo
,
S.
Inoue
,
H.
Yuan
,
H.
Shimotani
,
A. F.
Morpurgo
, and
Y.
Iwasa
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
13002
(
2011
).
70.
R. S.
Gonnelli
,
F.
Paolucci
,
E.
Piatti
,
K.
Sharda
,
A.
Sola
,
M.
Tortello
,
J. R.
Nair
,
C.
Gerbaldi
,
M.
Bruna
, and
S.
Borini
,
Sci. Rep.
5
,
9554
(
2015
).
71.
W. E.
Pickett
, Emergent Phenomena in Correlated Matter (Forschungszentrum Jülich GmbH and Institute for Advanced Simulations, Jülich, Germany, 2013).
72.
Y.
Ge
and
A. Y.
Liu
,
Phys. Rev. B
87
,
241408
(
2013
).
73.
Y.
Fu
,
E.
Liu
,
H.
Yuan
,
P.
Tang
,
B.
Lian
,
G.
Xu
,
J.
Zeng
,
Z.
Chen
,
Y.
Wang
,
W.
Zhou
,
K.
Xu
,
A.
Gao
,
C.
Pan
,
M.
Wang
,
B.
Wang
,
S.-C.
Zhang
,
Y.
Cui
,
H. Y.
Hwang
, and
F.
Miao
,
npj Quantum Mater.
2
,
52
(
2017
).
74.
Th.
Sohier
,
E.
Ponomarev
,
M.
Gibertini
,
H.
Berger
,
N.
Marzari
,
N.
Ubrig
, and
A. F.
Morpurgo
,
Phys. Rev. X
9
,
031019
(
2019
).
75.
P.
Garcia-Goiricelaya
,
J.
Lafuente-Bartolome
,
I. G.
Gurtubay
, and
A.
Eiguren
,
Phys. Rev. B
101
,
054304
(
2020
).
77.
P.
Garcia-Goiricelaya
,
J.
Lafuente-Bartolome
,
I. G.
Gurtubay
, and
A.
Eiguren
,
Commun. Phys.
2
,
81
(
2019
).
78.
B.
Chakraborty
,
A.
Bera
,
D. V. S.
Muthu
,
S.
Bhowmick
,
U. V.
Waghmare
, and
A. K.
Sood
,
Phys. Rev. B
85
,
161403
(
2012
).
79.
Q. H.
Chen
,
J. M.
Lu
,
L.
Liang
,
O.
Zheliuk
,
A.
Ali
,
P.
Sheng
, and
J. T.
Ye
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
147002
(
2017
).
80.
M.
Kang
,
S. W.
Jung
,
W. J.
Shin
,
Y.
Sohn
,
S. H.
Ryu
,
T. K.
Kim
,
M.
Hoesch
, and
K. S.
Kim
,
Nat. Mater.
17
,
676
(
2018
).
81.
M.
Rösner
,
S.
Haas
, and
T. O.
Wehling
,
Phys. Rev. B
90
,
245105
(
2014
).
82.
G.
Eda
,
T.
Fujita
,
H.
Yamaguchi
,
D.
Voiry
,
M.
Chen
, and
M.
Chhowalla
,
Nano Lett.
6
,
7311
(
2012
).
83.
Y.-C.
Lin
,
D. O.
Dumcenco
,
Y.-S.
Huang
, and
K.
Suenaga
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
391
(
2014
).
84.
K.
Leng
,
Z.
Chen
,
X.
Zhao
,
W.
Tang
,
B.
Tian
,
C. T.
Nai
,
W.
Zhou
, and
K. P.
Loh
,
ACS Nano
10
,
9208
(
2016
).
85.
H. L.
Zhuang
,
M. D.
Johannes
,
A. K.
Singh
, and
R. G.
Hennig
,
Phys. Rev. B
96
,
165305
(
2017
).
86.
O.
Zheliuk
,
J. M.
Lu
,
Q. H.
Chen
,
A. A.
El Yumin
,
S.
Golightly
, and
J. T.
Ye
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
1123
(
2019
).
87.
A. F.
Ioffe
and
A. R.
Regel
,
Prog. Semicond.
4
,
237
(
1960
).
You do not currently have access to this content.