We use scanning nonlinear dielectric microscopy (SNDM) to visualize unintentional carrier doping of few-layer Nb-doped MoS2 mechanically exfoliated on SiO2. SNDM enables imaging of the majority carrier distribution in as-exfoliated samples at the nanoscale. We show that, unlike thick MoS2 layers, atomically thin layers exhibit a p- to n-type transition as the thickness decreases. The level of the observed unintentional n-doping is estimated to be 1×1013cm2, in agreement with the results of previous independent studies. In addition, the influence of ultraviolet–ozone treatment on the majority carrier distribution is also investigated. The n-type doping is observed to progress with increasing processing time. SNDM can be readily applied to atomically thin layered semiconductors and will advance understanding of and the ability to predict device characteristics even at an early stage of the fabrication process.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
C.
Berger
,
Z.
Song
,
T.
Li
,
X.
Li
,
A. Y.
Ogbazghi
,
R.
Feng
,
Z.
Dai
,
A. N.
Marchenkov
,
E. H.
Conrad
,
P. N.
First
, and
W. A.
de Heer
,
J. Phys. Chem. B
108
,
19912
(
2004
).
3.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
M. I.
Katsnelson
,
I. V.
Grigorieva
,
S. V.
Dubonos
, and
A. A.
Firsov
,
Nature
438
,
197
(
2005
).
4.
Y.
Zhang
,
Y.-W.
Tan
,
H. L.
Stormer
, and
P.
Kim
,
Nature
438
,
201
(
2005
).
5.
K. S.
Novoselov
,
D.
Jiang
,
F.
Schedin
,
T. J.
Booth
,
V. V.
Khotkevich
,
S. V.
Morozov
, and
A. K.
Geim
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
,
10451
(
2005
).
6.
C.
Berger
,
Z.
Song
,
Z.
Xuebin Li
,
X.
Wu
,
N.
Brown
,
C.
Naud
,
D.
Mayou
,
T.
Li
,
J.
Hass
,
A. N.
Marchenkov
,
E. H.
Conrad
,
P. N.
First
, and
W. A.
de Heer
,
Science
312
,
1191
(
2006
).
7.
R. R.
Nair
,
P.
Blake
,
A. N.
Grigorenko
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
,
T.
Stauber
,
N. M. R.
Peres
, and
A. K.
Geim
,
Science
320
,
1308
(
2008
).
8.
C.
Lee
,
X.
Wei
,
J. W.
Kysar
, and
J.
Hone
,
Science
321
,
385
(
2008
).
9.
J.-H.
Chen
,
C.
Jang
,
S.
Xiao
,
M.
Ishigami
, and
M. S.
Fuhrer
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
206
(
2008
).
10.
S. V.
Morozov
,
K. S.
Novoselov
,
M. I.
Katsnelson
,
F.
Schedin
,
D. C.
Elias
,
J. A.
Jaszczak
, and
A. K.
Geim
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
016602
(
2008
).
11.
A. S.
Mayorov
,
R. V.
Gorbachev
,
S. V.
Morozov
,
L.
Britnell
,
R.
Jalil
,
L. A.
Ponomarenko
,
P.
Blake
,
K. S.
Novoselov
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
, and
A. K.
Geim
,
Nano Lett.
11
,
2396
(
2011
).
12.
A. D.
Liao
,
J. Z.
Wu
,
X.
Wang
,
K.
Tahy
,
D.
Jena
,
H.
Dai
, and
E.
Pop
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
256801
(
2011
).
13.
A. A.
Balandin
,
Nat. Mater.
10
,
569
(
2011
).
14.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
136805
(
2010
).
15.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
16.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
17.
A. K.
Geim
and
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
(
2013
).
18.
B.
Radisavljevic
and
A.
Kis
,
Nat. Mater.
12
,
815
(
2013
).
19.
S.
Mouri
,
Y.
Miyauchi
, and
K.
Matsuda
,
Nano Lett.
13
,
5944
(
2013
).
20.
H. S.
Song
,
S. L.
Li
,
L.
Gao
,
Y.
Xu
,
K.
Ueno
,
J.
Tang
,
Y. B.
Cheng
, and
K.
Tsukagoshi
,
Nanoscale
5
,
9666
(
2013
).
21.
F.
Nan
,
K.
Nagashio
, and
A.
Toriumi
,
Appl. Phys. Express
8
,
065203
(
2015
).
22.
T.
Ohashi
,
K.
Suda
,
S.
Ishihara
,
N.
Sawamoto
,
S.
Yamaguchi
,
K.
Matsuura
,
K.
Kakushima
,
N.
Sugii
,
A.
Nishiyama
,
Y.
Kataoka
,
K.
Natori
,
K.
Tsutsui
,
H.
Iwai
,
A.
Ogura
, and
H.
Wakabayashi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
54
,
04DN08
(
2015
).
23.
T.
Akama
,
W.
Okita
,
R.
Nagai
,
C.
Li
,
T.
Kaneko
, and
T.
Kato
,
Sci. Rep.
7
,
11967
(
2017
).
24.
A.
Splendiani
,
L.
Sun
,
Y.
Zhang
,
T.
Li
,
J.
Kim
,
C.-Y.
Chim
,
G.
Galli
, and
F.
Wang
,
Nano Lett.
10
,
1271
(
2010
).
25.
A.
Kuc
,
N.
Zibouche
, and
T.
Heine
,
Phys. Rev. B
83
,
245213
(
2011
).
26.
Z.
Yin
,
H.
Li
,
H.
Li
,
L.
Jiang
,
Y.
Shi
,
Y.
Sun
,
G.
Lu
,
Q.
Zhang
,
X.
Chen
, and
H.
Zhang
,
ACS Nano
6
,
74
(
2012
).
27.
H.
Zeng
,
J.
Dai
,
W.
Yao
,
D.
Xiao
, and
X.
Cui
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
490
(
2012
).
28.
T.
Cao
,
G.
Wang
,
W.
Han
,
H.
Ye
,
C.
Zhu
,
J.
Shi
,
Q.
Niu
,
P.
Tan
,
E.
Wang
,
B.
Liu
, and
J.
Feng
,
Nat. Commun.
3
,
887
(
2012
).
29.
D.
Xiao
,
G.-B.
Liu
,
W.
Feng
,
X.
Xu
, and
W.
Yao
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
196802
(
2012
).
30.
D.
Akinwande
,
C.
Huyghebaert
,
C.-H.
Wang
,
M. I.
Serna
,
S.
Goossens
,
L.-J.
Li
,
H.-S. P.
Wong
, and
F. H. L.
Koppens
,
Nature
573
,
507
(
2019
).
31.
C.-H.
Lee
,
G.-H.
Lee
,
A. M.
van der Zande
,
W.
Chen
,
Y.
Li
,
M.
Han
,
X.
Cui
,
G.
Arefe
,
C.
Nuckolls
,
T. F.
Heinz
,
J.
Guo
,
J.
Hone
, and
P.
Kim
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
676
(
2014
).
32.
M. D.
Siao
,
W. C.
Shen
,
R. S.
Chen
,
Z. W.
Chang
,
M. C.
Shih
,
Y. P.
Chiu
, and
C.-M.
Cheng
,
Nat. Commun.
9
,
1442
(
2018
).
33.
N.
Fang
,
S.
Toyoda
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
, and
K.
Nagashio
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1904465
(
2019
).
34.
W.
Kundhikanjana
,
K.
Lai
,
H.
Wang
,
H.
Dai
,
M. A.
Kelly
, and
Z.-X.
Shen
,
Nano Lett.
9
,
3762
(
2009
).
35.
V. V.
Talanov
,
C. D.
Barga
,
L.
Wickey
,
I.
Kalichava
,
E.
Gonzales
,
E. A.
Shaner
,
A. V.
Gin
, and
N. G.
Kalugin
,
ACS Nano
4
,
3831
(
2010
).
36.
Y.
Liu
,
R.
Ghosh
,
D.
Wu
,
A.
Ismach
,
R.
Ruoff
, and
K.
Lai
,
Nano Lett.
14
,
4682
(
2014
).
37.
S.
Berweger
,
J. C.
Weber
,
J.
John
,
J. M.
Velazquez
,
A.
Pieterick
,
N. A.
Sanford
,
A. V.
Davydov
,
B.
Brunschwig
,
N. S.
Lewis
,
T. M.
Wallis
, and
P.
Kabos
,
Nano Lett.
15
,
1122
(
2015
).
38.
D.
Wu
,
X.
Li
,
L.
Luan
,
X.
Wu
,
W.
Li
,
M. N.
Yogeesh
,
R.
Ghosh
,
Z.
Chu
,
D.
Akinwande
,
Q.
Niu
, and
K.
Lai
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
113
,
8583
(
2016
).
39.
Y.
Tsai
,
Z.
Chu
,
Y.
Han
,
C.-P.
Chuu
,
D.
Wu
,
A.
Johnson
,
F.
Cheng
,
M.-Y.
Chou
,
D. A.
Muller
,
X.
Li
,
K.
Lai
, and
C.-K.
Shih
,
Adv. Mater.
29
,
1703680
(
2017
).
40.
L.
Lei
,
R.
Xu
,
S.
Ye
,
X.
Wang
,
K.
Xu
,
S.
Hussain
,
Y. J.
Li
,
Y.
Sugawara
,
L.
Xie
,
W.
Ji
, and
Z.
Cheng
,
J. Phys. Commun.
2
,
025013
(
2018
).
41.
K.
Yamasue
and
Y.
Cho
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
243102
(
2018
).
42.
Y.
Cho
,
A.
Kirihara
, and
T.
Saeki
,
Rev. Sci. Instrum.
67
,
2297
(
1996
).
43.
Y.
Cho
,
Jpn. J. Appl. Phys.
56
,
100101
(
2017
).
44.
K.
Yamasue
and
Y.
Cho
, in Proceedings from the 45th International Symposium for Testing and Failure Analysis (ASM International, 2019), pp. 498–503.
45.
A.
Azcatl
,
S.
McDonnell
,
S. K. C.
X. Peng
,
H.
Dong
,
X.
Qin
,
R.
Addou
,
G. I.
Mordi
,
N.
Lu
,
J.
Kim
,
M. J.
Kim
,
K.
Cho
, and
R. M.
Wallace
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
111601
(
2014
).
46.
J.
Wang
,
S.
Li
,
X.
Zou
,
J.
Ho
,
L.
Liao
,
X.
Xiao
,
C.
Jiang
,
W.
Hu
,
J.
Wang
, and
J.
Li
,
Small
11
,
5932
(
2015
).
47.
S.
Park
,
S. Y.
Kim
,
Y.
Choi
,
M.
Kim
,
H.
Shin
,
J.
Kim
, and
W.
Choi
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
11189
(
2016
).
48.
P.
Bolshakov
,
A.
Khosravi
,
P.
Zhao
,
P. K.
Hurley
,
C. L.
Hinkle
,
R. M.
Wallace
, and
C. D.
Young
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
253502
(
2018
).
49.
S. J.
McDonnell
and
R. M.
Wallace
,
JOM
71
,
224
(
2019
).
50.
Y.
Hu
,
S.
Hu
, and
C.
Su
, U.S. patent 8,739,309 (27 May 2014).
51.
Y.
Cho
,
S.
Atsumi
, and
K.
Nakamura
,
Jpn. J. Appl. Phys.
36
,
3152
(
1997
).
52.
C. C.
Williams
,
J.
Slinkman
,
W. P.
Hough
, and
H. K.
Wickramasinghe
,
Appl. Phys. Lett.
55
,
1662
(
1989
).
53.
S.
Luryi
,
Appl. Phys. Lett.
52
,
501
(
1988
).
54.
N.
Ma
and
D.
Jena
,
2D Mater.
2
,
015003
(
2015
).
55.
H.
Edwards
,
R.
McGlothlin
,
R.
San Martin
,
E. U.
M. Gribelyuk
,
R.
Mahaffy
,
C.
Ken Shih
,
R. S.
List
, and
V. A.
Ukraintsev
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
698
(
1998
).
56.
K.
Honda
,
K.
Ishikawa
, and
Y.
Cho
,
J. Phys. Conf. Ser.
209
,
012050
(
2010
).
57.
R.
Stephenson
,
A.
Verhulst
,
P.
De Wolf
,
M.
Caymax
, and
W.
Vandervorst
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
2597
(
1998
).
58.
Q.
Zhong
,
D.
Inniss
,
K.
Kjoller
, and
V. B.
Elings
,
Surf. Sci.
290
,
L688
(
1993
).
59.
K.
Yamasue
and
Y.
Cho
,
Microelectron. Reliab.
100–101
,
113345
(
2019
).
60.
K.
Yamasue
and
Y.
Cho
, in
2019 IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW)
(IEEE, 2019).
61.
P.
Blake
,
E. W.
Hill
,
A. H. C.
Neto
,
K. S.
Novoselov
,
D.
Jiang
,
R.
Yang
,
T. J.
Booth
, and
A. K.
Geim
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
063124
(
2007
).
62.
S.
Roddaro
,
P.
Pingue
,
V.
Piazza
,
V.
Pellegrini
, and
F.
Beltram
,
Nano Lett.
7
,
2707
(
2007
).
63.
D.
Nečas
and
P.
Klapetek
,
Cent. Eur. J. Phys.
10
,
181
(
2012
).
64.
K.
Hirose
,
K.
Tanahashi
,
H.
Takato
, and
Y.
Cho
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
032101
(
2017
).
65.
W.
Su
,
N.
Kumar
,
S. J.
Spencer
,
N.
Dai
, and
D.
Roy
,
Nano Res.
8
,
3878
(
2015
).
66.
H. I.
Yang
,
S.
Park
, and
W.
Choi
,
Appl. Surf. Sci.
443
,
91
(
2018
).
67.
C.
Jung
,
H. I.
Yang
, and
W.
Choi
,
Nanoscale Res. Lett.
14
,
278
(
2019
).
68.
A.
Azcatl
,
S.
Kc
,
X.
Peng
,
N.
Lu
,
S.
McDonnell
,
X.
Qin
,
F.
de Dios
,
R.
Addou
,
J.
Kim
,
M. J.
Kim
,
K.
Cho
, and
R. M.
Wallace
,
2D Mater.
2
,
014004
(
2015
).
You do not currently have access to this content.