MoS2/MoTe2垂直异质结的电荷传输及其调制

二维材料异质结器件具有纳米级厚度及范德瓦耳斯接触表面,因而表现出独特的光电特性.本文构建了栅压可调的MoS₂/MoTe₂垂直异质结器件,利用开尔文探针力显微镜(KPFM)技术结合电输运测量,揭示了MoS₂/MoTe₂异质结分别在黑暗和532 nm激光照射条件下的电荷输运行为,发现随着栅压的变化异质结表现出从n-n⁺结到p-n结的反双极性特征.系统地解释了MoS₂/MoTe₂异质结的电荷输运机制,包括n-n⁺结和p-n结在正偏和反偏下条件下的电荷输运过程、随栅压变化而发生的转变的结区行为、接触势垒对电荷输运的影响、n-n⁺结和p-n结具有不同整流特征的原因、偏压对带间隧穿的重要作用及光生载流子对电学输运行为的影响等.本文所使用的方法可推广到其他二维异质结体系,为提高二维半导体器件性能及其应用提供了重要的参考和借鉴.     

过渡金属二硫化物/三卤化铬范德瓦耳斯异质结的反折叠能带

过渡金属二硫化物MX₂/三卤化铬CrX₃组成的范德瓦耳斯异质结能有效操控MX₂的谷极化,在能谷电子学中有广泛的应用前景.本文结合第一性原理和k投影能带反折叠方法比较研究了MoSe₂/CrI₃, MoSe₂/CrBr₃和WS₂/CrBr₃三种磁性范德瓦耳斯异质结的堆垛和电子结构,探索了体系谷极化产生的物理机理.计算了异质结不同堆垛的势能面,确定了稳定的堆垛构型,阐明了时间/空间反演对称破缺对体系电子结构的影响.由于轨道杂化,磁性异质结的导带情况复杂,且MoSe₂/CrI₃体系价带顶发生明显变化,不能与单层MX₂直接对比.而借助于反折叠能带,计算清晰揭示了CrX₃对MX₂电子结构的影响,定量地获得了MX₂的能谷劈裂,并发现层间距和应变可以有效调控能谷劈裂.当层间距减...     

过渡金属硫族化合物柔性基底体系的模型与应用

柔性基底体系是晶体外延生长领域于20世纪90年代提出的概念.其核心思想是利用超薄的基底,使其在外延生长时能同时与外延晶膜发生应变,以抵消二者之间的晶格失配,从而减少外延晶膜中的位错,提高晶膜的质量.但是人工制备性能优良的超薄基底往往需要较为复杂的工艺.另一方面,过渡金属硫族化合物由于其层状结构特性和层间较弱的范德瓦耳斯相互作用,是天然的柔性基底.本文介绍近几年来新发展的过渡金属硫族化合物柔性基底体系的模型及应用.以Au-MoS₂作为柔性基底外延生长的原型,结合密度泛函理论、线性弹性理论以及位错理论构建模型,并根据计算结果解释了早先利用透射电子显微镜观测到的Au薄膜在MoS₂上外延生长的相关实验现象.此外,本文还介绍了受到该理论模型启发的相关实验工作,特别是利用Au薄膜分离大面积、单层、高质量MoS₂的技术.最后,讨论了在该领域内值得关注和进一步探索的理论问题.     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

应力调控BlueP/XTe2(X=Mo,W)范德瓦耳斯异质结电子结构及光学性质理论研究

通过第一性原理计算探讨了蓝磷烯与过渡金属硫化物MoTe₂/WTe₂形成范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质,以及施加双轴应力对相关性质的影响.计算结果表明,形成BlueP/XTe₂(X=Mo,W)异质结,二者能带排列为间接带隙type-Ⅱ并有较强的红外光吸收,同时屏蔽特性增强.随压缩应力增加,BlueP/XTe₂转变为直接带隙type-Ⅱ能带排列最后转变为金属性;随拉伸应力增加,异质结转变为间接带隙type-Ⅰ能带排列.外加应力也能有效调控异质结的光吸收性质,随压缩应力增加吸收边红移,光吸收响应拓展至中红外光谱区且吸收系数增大;BlueP/MoTe₂较BlueP/WTe₂在中红外至红外光区间表现出更强的光吸收响应;静态介电常数ε1(0)大幅增加.结果表明,压缩应力对BlueP/MoTe₂和BlueP/WTe₂能带排列、光吸收特性均有显著的调控作用,其中BlueP/MoTe₂对调控更敏感,这些特性也使BlueP/XTe₂异质结在窄禁带中红外半导体材料及光电器件具有令人期待的应用价值.     

La内嵌 graphene/MoS2层的储氢性能研究

运用密度泛函理论研究了La内嵌graphene/MoS₂层的储氢性能.由于La的内嵌graphene/MoS₂异质结的层间距被拉大.详细研究了氢气分子在La内嵌的graphene/MoS₂结构上的吸附行为.结果表明,一个La原子最多可以吸附六个氢气分子,采用GGA/PBE泛函计算得到氢气分子的平均吸附能为0.198 eV.合适的吸附能使得设计材料能够在温和条件下实现可逆存储.重要的是,La原子能够分散地内嵌在graphene/MoS₂异质结中,这将为氢气分子提供更多吸附位.研究表明理论上预测La内嵌graphene/MoS₂材料是一种潜在的储氢材料.     

应变和电场对Ga2SeTe/In2Se3异质结电子结构和光学性质的影响

异质结构的构筑与堆垛是新型二维材料物性调控及应用的有效策略.基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文研究了4种不同堆叠构型的新型二维Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质. 4种异质结构型均为Ⅱ型能带结构的间接带隙半导体,光致电子的供体和受体材料由二维In₂Se₃的极化方向决定.光吸收度在可见光区域高达25%,有利于太阳可见光的有效利用.双轴应变可诱导直接-间接带隙转变,外加电场能有效调控异质结构带隙,使AA2叠加构型的带隙从0.195 eV单调增大到0.714 eV,AB2叠加构型的带隙从0.859 eV单调减小到0.058 eV,两种调控作用下异质结的能带始终保持Ⅱ型结构.压缩应变作用下的异质结在波长较短的可见光区域表现出更优异的光吸收能力.这些研究结果揭示了Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结电子结构的调控机理,为新型光电器件的设计提供理论指导.     

单晶Ta3FeS6薄膜中巨大的矫顽场

范德瓦耳斯层状铁磁材料不但为基础磁学的前沿研究提供了重要的平台,同时在下一代自旋电子器件中展示了广阔的应用前景.本文利用化学气相传输方法生长了高质量的、具有本征铁磁性的Ta₃FeS₆块材单晶.通过机械剥离法得到厚度19—100 nm的Ta₃FeS₆薄层样品,并发现相应的居里温度在176—133 K之间.低温反常霍尔测量表明Ta₃FeS₆样品具有面外的铁磁性,其矫顽场在1.5 K可达到7.6 T,这是迄今为止在范德瓦耳斯铁磁薄膜材料中报道的最大数值.此外,在变温过程中,还观察到磁滞回线极性的翻转.相比于通常的范德瓦耳斯磁性材料, Ta₃FeS₆具有空气稳定性和极大的矫顽场,这为探索稳定的、可小型化的范德瓦耳斯自旋电子器件研究开辟了全新的平台.     

基于熔融玻璃的预沉积法生长毫米级单晶MoS2及WS2-MoS2异质结

MoS₂是一种具有优异光电性能和奇特物理性质的二维材料,在电子器件领域具有巨大的应用潜力.高效可控生长出大尺寸单晶MoS₂是该材料进入产业应用所必须克服的重大难关,而化学气相沉积技术被认为是工业化生产二维材料的最有效手段.本文介绍了一种利用磁控溅射预沉积钼源至熔融玻璃上,通过快速升温的化学气相沉积技术生长出尺寸达1 mm的单晶MoS₂的方法,并通过引入WO₃粉末生长出了二硫化钼与二硫化钨的横向异质结(WS₂-MoS₂).拉曼和荧光光谱仪测试表明所生长的样品具有较好的晶体质量.利用转移电极技术制备出了背栅器件样品并对其进行了电学测试,在室温常压下开关比可达10~5,迁移率可达4.53 cm~2/(V·s).这种低成本高质量的大尺寸材料生长方法为二维材料电子器件的大规模应用找到了出路.     

钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.     

酞菁铜与MoS_2(0001)范德瓦耳斯异质结研究

利用光电子能谱、原子力显微镜以及低能电子衍射等表面研究手段系统研究了真空沉积生长的酞菁铜薄膜与衬底MoS2(0001)之间的范德瓦耳斯异质结界面电子结构和几何结构.角分辨光电子能谱清楚地再现了MoS2(0001)衬底在Γ点附近的能带结构.低能电子衍射结果表明,CuPc薄膜在MoS2(0001)表面沿着衬底表面[11ˉ20],[1ˉ210]和[ˉ2110]三个晶向有序生长,反映了衬底对CuPc的影响.原子力显微镜结果表明,CuPc在MoS2衬底上遵循层状-岛状生长模式:在低生长厚度下(单层薄膜厚度约为0.3 nm),CuPc分子平面平行于MoS2表面上形成均匀连续的薄膜;在较高的沉积厚度下,CuPc沿衬底晶向形成棒状晶粒,表现出明显的各向异性.光电子能谱显示界面偶极层为0.07 eV,而且能谱在膜厚1.2 nm饱和,揭示了酞菁铜与MoS2(0001)范德瓦耳斯异质结的能级结构.     

二硫化钼量子点的一步水热法制备与光学性能研究

二硫化钼量子点(MoS₂ QDs)因具有尺寸可控、量子限域效应强等优异的物化特性，故在传感、荧光检测和光催化等领域中具有潜在的应用价值。以钼酸铵为钼源，以谷胱甘肽为硫源，采用一步水热法合成水溶性好、尺寸均一的MoS₂QDs(MoS₂ QDs-1)。为探究不同硫源对MoS₂ QDs尺寸和光学性能的影响，又以钼酸铵和L-半胱氨酸分别为钼源和硫源，通过相同方法制备MoS₂ QDs(MoS₂ QDs-2)。研究了MoS₂ QDs-1和MoS₂ QDs-2样品的结构和光致发光性能。结果表明，与MoS₂ QDs-2样品相比，MoS₂ QDs-1样品的平均晶粒尺寸更小(3.88 nm)、平均晶粒高度更低(4.75 nm)、光学带隙更小(3.65 eV)和荧光量子产率更高(10.8%)。     

单层MoS2薄膜的NaCl双辅助生长方法

以单层二硫化钼(MoS₂)为代表的过渡金属硫族化合物半导体材料具有良好的光学、电学性质,近十年来引起了人们广泛的研究兴趣.合成高质量单层MoS₂薄膜是科学研究及工业应用的基础.最近科研人员提出了盐辅助化学气相沉积生长单层薄膜的方法,大大提高了单层MoS₂薄膜的生长速度及晶体质量.本文基于此方法,提出利用氯化钠(NaCl)的双辅助方法,成功制备了高质量的单层MoS₂薄膜.光致发光(PL)谱显示其发光强度比无NaCl辅助生长的样品有了明显的提高.本文提出的NaCl双辅助生长方法为二维材料的大规模生长提供了思路.     

WSe2/GeS 异质结的增强光致发光

二维半导体材料为纳米尺度的光学性质研究提供了良好的支持. 当将其构筑成异质结时, 界面间的相互作用可以改变原光电性质或产生新的性质, 是二维材料光电子器件功能控制的重要手段. 利用机械剥离法制备WSe2/GeS 异质结, 通过发光光谱研究异质结层间激子的光学性质. 结果表明:p 型 GeS 与弱 n 型 WSe2 构筑成异质结时会产生新的层间激子. 与 GeS 和 WSe2 的荧光发射强度相比, 异质结的层间激子发光强度显著增加. 此研究为设计具有先进光电性能的二维半导体器件提供了思路.     

层间电荷转移增强二硫化铼/石墨烯异质结薄膜的反饱和吸收特性

提高二维纳米材料的非线性光学响应,推动非线性光学在光电子领域的应用,是当前的一项巨大挑战,而构建高质量的范德瓦耳斯异质结,研究其非线性光学响应的内在机理,是解决途径之一.本文采用液相剥离结合真空抽滤技术,选择不同的混合方式(粉末混合、超声后混合、离心后混合),构建了三种二硫化铼/石墨烯异质结薄膜,并利用拉曼光谱仪、近红外吸收光谱仪以及原子力显微镜等对其进行了光学表征.采用自主搭建的高重复频率、窄脉宽飞秒Z扫描系统,重点研究了上述异质结薄膜在800 nm处的非线性光学特性,得到了其三阶非线性极化率虚部、品质因数等重要的非线性光学参数.结果 表明:异质结的成功构建使得材料的非线性光学响应显著增强,超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜的品质因数是纯二硫化铼薄膜的3.5倍,纯石墨烯的1.6倍;超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜具有最高的反饱和吸收特性,其品质因数相较于粉末混合、离心后混合的异质结薄膜分别提高了44％和27％.本文为范德瓦耳斯异质结的制备提供了新思路,同时也为飞秒光限幅器件的研究打下了理论基础.     

BaTiO3/p-Si异质结的整流特性和光诱导特性的研究

利用脉冲激光沉积法成功制备了BaTiO₃/p-Si异质结, 该异质结在80–300 K 显示出了良好的整流特性和光诱导特性. 开启电压随着温度的升高而逐渐降低. 利用不同频率的光子辐照样品, 观察到明显的光电导效应. 且随着照射光子能量的增大, 结电流也相应变大, 光诱导效应越明显. BaTiO₃薄膜电阻-温度(R-T) 曲线显示氧缺陷条件下BaTiO₃薄膜具有良好的半导体特性. 关键词： 异质结 光诱导效应 3薄膜')" href="#">BaTiO₃薄膜     

利用Li+插层调控WS2光电器件响应性能研究

过渡金属硫族化合物由于其具有独特的结构和性质,在光电子学、纳米电子学、储能器件、电催化等领域具有广泛的应用前景,是一类被持续关注的代表性二维层状材料.在材料应用过程中,对材料掺杂特性的调控会极大地改变器件的响应性能.因而,对利用掺杂手段调控过渡金属硫族化合物器件响应性能的研究具有重要的意义.电化学离子插层方法的发展为二维材料的掺杂调控提供了新的手段.本文以WS₂为例,采用电化学离子插层方法对厚层WS₂的掺杂特性进行优化,观察到离子插入后器件电导率的显著增强(约200倍),以及栅压对器件光电响应性能的有效且可逆的调控.本文通过栅压控制离子插层的方法实现对WS₂器件光电响应的可逆可循环调节,为利用离子插层方法调控二维材料光电器件响应性能研究提供了实验基础.     

Au的金属颗粒对二硫化钼发光增强

二硫化钼(MoS₂)是一种层状的二维过渡金属硫族化合物材料,从块体到单层,禁带由间接带隙变为直接带隙,由于通常机械剥落的单层MoS₂是n型掺杂的,使得其发光效率仍然很低. 在本文中,采用匀胶机旋涂的方法将共振吸收峰在514 nm附近的纳米金颗粒尽可能均匀的铺在单层、双层以及多层的MoS₂样品表面,发现单层和双层样品的光致发光谱(PL谱)分别增强了约30倍和2倍同时伴随着峰位的蓝移,而多层样品的发光强度也略有增强. 拉曼特性揭示了纳米金颗粒对单层和双层MoS₂样品产生了明显的p型掺杂,从而增强了发光;同时纳米金颗粒的表面等离子激元效应对激发光的天线作用也是增强MoS₂的光致发光的一个因素. 关键词： 二硫化钼 光致发光 p型掺杂 Au纳米颗粒     

大面积单层二硫化钼的制备及其光电性能

过渡金属硫族化合物(TMDCs)材料具有优异的电学和光电性能,在下一代光电子器件中具有广阔的应用前景.然而,大面积均匀生长单层的TMDCs仍然具有相当大的挑战.本工作提出了一种简单而有效的利用化学气相沉积(CVD)制备大面积单层二硫化钼(MoS₂)的方法,并通过调整氧化物前驱体的比例,调整MoS₂单晶/薄膜生长.随后,利用叉指电极掩膜板制备出单层MoS₂薄膜光电探测器.最后,在405 nm激光激发下,不同电压和不同激光功率条件下均表现出高稳定和可重复的光电响应,响应时间可达毫秒(ms)量级.此外,该光电探测器实现了405—830 nm的可见光到近红外的宽光谱检测范围,光响应度(R)高达291.7 mA/W,光探测率(D^*)最高达1.629×10⁹ Jones.基于该CVD制备的单层MoS2薄膜光电探测器具有成本低、能大规模制备,且在可见光到近红外的宽光谱范围内具有良好的稳定性和重复性的优点,为未来电子和光电子器件的应用提供了更多的可能性.     

二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用

自石墨烯被发现以来,二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展,以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷.随着二维新材料制备与应用探索的不断发展,单一材料性能的不足逐渐凸显,研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足,甚至获得一些新的性能.利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结,实现特定的功能化,或利用范德瓦耳斯力进行堆垛,将不同二维材料排列组合,从而在体系里引入新的自由度,为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口.本文从原子制造角度,介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用.首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念,然后从原理上分类列举了常用的表征方法,随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法,并对其光电性质及器件应用做了简要介绍.最后,对领域内存在的问题进行了讨论,对未来发展方向做出了展望.