单层二硫化钼的制备及在器件应用方面的研究

二硫化钼(MoS₂)作为一种新兴的二维半导体材料,它具有天然原子级的厚度以及优异的光电特性和机械性能,在未来超大规模集成电路中具有巨大的应用潜力.本文综述了我们课题组在过去几年中在单层MoS₂薄膜研究方面所取得的进展,具体包括:在MoS₂薄膜制备方面,通过氧辅助气相沉积方法,实现了大尺寸MoS₂单晶的可控生长;通过独特的多源立式生长方法,实现了4 in晶圆级大晶粒高定向的单层MoS₂薄膜的外延生长,样品显示出极高的光学和电学质量,是目前国际上报道的质量最好的晶圆级MoS₂样品;通过调节MoS₂薄膜的氧掺杂浓度,可以实现对其电学和光学特性的有效调控.在MoS₂薄膜器件与应用方面,利用制备的高质量单层MoS₂薄膜,实现了高性能柔性晶体管的集成,这种大面积柔性逻辑和存储器件显示出优异的电学性能;在集成多层场效应晶体管的基础上,设计,加工了垂直集成的多层全二维材料的多功能器件,充分发挥器件的组合性能...     

Te掺杂单层MoS2的电子结构与光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Te掺杂对单层MoS₂能带结构、电子态密度和光电性质的影响。结果表明,本征单层MoS₂属于直接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.64 eV。本征单层MoS₂的价带顶主要由S-3p态电子和Mo-4d态电子构成,而其导带底则主要由Mo-4d态电子和S-3p态电子共同决定;Te掺杂单层MoS₂为间接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.47 eV。同时通过Te掺杂,使单层MoS₂的静态介电常数增大,禁带宽度变窄,吸收光谱产生红移,研究结果为单层MoS₂在光电器件方面的应用提供了理论基础。     

(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.     

溅射制备Ge,Nb共掺杂窄光学带隙和低电阻率的TiO2薄膜

采用射频磁控溅射技术制备了Ge,Nb共掺杂的锐钛矿结构TiO₂薄膜,详细探讨了薄膜的结构、电阻率及光学带隙等性质随Ge,Nb掺杂量、溅射功率和热处理温度等参数的变化,发现Ge,Nb共掺杂可以同时调节TiO₂薄膜的光学带隙和电阻率.体积分数约为6%Nb和20%Ge的共掺杂TiO₂薄膜电阻率由10⁴Ω/cm减小至10^-1Ω/cm,光学带隙由3.2 eV减小至1.9 eV.退火后掺杂TiO₂薄膜不仅显示更低的电阻率,还表现出更强的可见-红外光吸收.结果表明,改变Ge,Nb的掺杂量和退火条件能够制备出电阻率和带隙都可调的TiO₂薄膜.     

V,Cr,Mn掺杂MoS2磁性的第一性原理研究

基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论分别研究了过渡金属V, Cr, Mn掺杂单层MoS₂的电子结构、 磁性和稳定性. 结果表明: V和Mn单掺杂均能产生一定的磁矩, 而磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上, Cr单掺杂时体系不显示磁性. 进一步讨论双原子掺杂MoS₂ 体系中掺杂原子之间的磁耦合作用发现, Mn掺杂的体系在室温下显示出稳定的铁磁性, 而V掺杂则表现出非自旋极化基态. 形成能的计算表明Mn掺杂的MoS₂体系相对V和Cr 掺杂结构更稳定. 由于Mn掺杂的MoS₂ 不仅在室温下可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高, 有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用. 关键词： 2')" href="#">单层MoS₂ 掺杂 铁磁态 第一性原理     

Li掺杂少层MoS2的电荷分布及与石墨和氮化硼片的比较

基于第一性原理计算, 研究了Li掺杂的少层(1-3层) MoS₂的电荷分布, 并与石墨片和BN片的电荷分布特征进行了比较. 与石墨片和BN片相同的是: 电荷转移的大部分只发生在Li与最靠近Li的第一层MoS₂之间. 然而, 第二层和第三层MoS₂也能获得10%的转移电荷, 而石墨片和BN片的第二层和第三层得不到2%的电荷. 结合静电能和功函数的分析可知, MoS₂、石墨片和BN片的电荷分布主要由层间的静电相互作用和功函数来决定. 这些研究结果对于揭示具有多层结构的电荷分布特征及其电子器件的设计提供了理论支持.     

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.     

掺杂对MoS2吸附H2的电子结构影响

本文应用Materials Studio软件对MoS₂分别进行了Si、O、N原子的替换掺杂,以探究掺杂和吸附对MoS₂材料的电子结构的影响。研究发现：稳定性由强到弱依次为：O-MoS2-H₂、MoS₂-H₂、N-MoS₂-H₂、Si-MoS₂-H₂,即O-MoS₂-H₂的形成能最低,为相对最稳定的结构;掺杂后体系的成键形式更有可能为离子键;吸附和掺杂均能影响MoS₂电子结构,MoS₂-H₂、O-MoS₂-H₂、Si-MoS₂-H₂能隙值处于0～2.0eV之间,体系表现为半导体性,N-MoS₂-H₂能隙值为0eV,体系表现为金属性;掺杂体系中总态密度主要是...     

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     

Cr和W掺杂的单层MoS2电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法, 研究了Cr和W掺杂对单层二硫化钼(MoS₂)晶体的电子结构性质的影响. 计算结果表明: 当掺杂浓度较高时, W对MoS₂的能带结构几乎没有影响, 而Cr的掺杂则影响很大, 表现为能带由直接带隙变为间接带隙, 且禁带宽度减小. 通过进一步分析, 得出应力的产生是导致Cr掺杂的MoS₂电子结构变化的最直接的原因.     

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.     

Enhanced photoluminescence of monolayer MoS2 on stepped gold structure

Different MoS₂/Au heterostructures can play an important role in tuning the photoluminescence (PL) and optoelectrical properties of monolayer MoS₂. Previous studies of PL of MoS₂/Au heterostructures were mainly limited to the PL enhancement by using different Au nanostructures and PL quenching of monolayer MoS₂ on flat Au surfaces. Here, we demonstrate the enhanced excitonic PL emissions of monolayer MoS₂/Au heterostructures on Si/SiO₂ substrates. By transferring the continuous monolayer MoS₂ onto a stepped Au structure consisting of 60-nm and 100-nm Au films, the MoS₂/Au-60 and MoS₂/Au-100 heterostructures exhibit enhanced PL emissions, each with a blue-shifted PL peak in comparison with the MoS₂/SiO₂. Furthermore, the PL intensity of MoS₂/Au-60 is about twice larger than that of MoS₂/Au-100. The different enhanced excitonic PL emissions in MoS₂/Au heterostructures can be attributed to the different charge transfer effects modified by the stepped Au structure. This work may provide an insight into the excitonic PL and charge transfer effect of MoS₂ on Au film and yield novel phenomena in MoS₂/Au heterostructures for further study of PL tuning and optoelectrical properties.     

快重离子辐照对MoS2热导率的影响研究

利用0.97 GeV的209Bi离子辐照二硫化钼（MoS₂）晶体,辐照注量范围为1×1010～1×1012 ions/cm2,结合原子力显微镜（AFM）观测和Raman光谱分析研究了快重离子辐照对MoS₂热导率的影响。实验结果显示,快重离子辐照在MoS₂中产生了潜径迹,较高激光功率下的Raman测试使样品局部温度升高,导致E_1/2g和A_1g峰随注量增加向低波数方向移动,且峰形展宽。引入了通过改变激光功率测量Raman光谱得到MoS₂热导率的计算方法,获得了不同辐照注量下MoS₂的热导率的定量分析结果,随注量增加,热导率不断降低,从未辐照样品的563 W/mK下降到1×1012 ions/cm2辐照时的132 W/mK。Molybdenum disulphide (MoS₂) was irradiated by 0.97 GeV 209Bi ions with the fluence of 1×1010 to 1×1012 ions/cm2. The irradiation effect on the thermal conductivity of MoS₂ was analyzed by atomic force microscope (AFM) and Raman spectroscopy. The experimental results show that hillock-like latent tracks are observed on irradiated MoS₂ by AFM. The measurement of MoS₂ by Raman spectrometer with high laser power results in the increase of local temperature of MoS₂, which cause the downshift of peaks position and broadening of E_1/2g and A_1g peak. Furthermore, according to Raman spectra measured at different laser power, thermal conductivity of MoS₂ before and after irradiation was calculated, which show that the thermal conductivity of MoS₂ decreases with increasing fluence, from 563 to 132 W/mK for pristine and 1×1012 ions/cm2 irradiated MoS₂, respectively.     

La,Ce,Nd掺杂对单层MoS_2电子结构的影响

为了研究稀土掺杂对单层MoS2电子结构的影响,文章基于密度泛函理论框架下的第一性原理,采用平面波赝势方法分别计算了本征及La,Ce,Nd掺杂单层MoS2的晶格参数、能带结构、态密度和差分电荷密度.计算发现,稀土掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径大小有关,La杂质附近的键长变化最大,Nd杂质附近的键长变化最小.能带结构分析表明,La掺杂可以在MoS2的禁带中引入3个能级,Ce掺杂可以形成6个新能级,Nd掺杂可以形成4个能级,并对杂质能级属性进行了初步分析.差分电荷密度分布显示,稀土掺杂可以使单层MoS2中的电子分布发生改变,尤其是f电子的存在会使差分电荷密度呈现出反差极大的物理图象.     

Influence of silver doping on the photocatalytic activity of titania films

By means of X-ray diffraction, BET nitrogen adsorption, UV-Vis-NIR transmission spectroscopy, transmission electron microscope, scanning electron microscope, X-ray photoelectron spectroscopy and photodegradation of methylene blue, effects of Ag doping on the microstructure and photocatalytic activity of TiO₂ films prepared by sol–gel method were studied. It is found that with a suitable amount (2–4 mol%), the Ag dopant increases the photocatalytic activity of TiO₂ films. The mechanism can be attributed to that (1) anatase grain sizes decrease with Ag doping and the specific surface areas of doped TiO₂ films increase, the charge transfer in TiO₂ films is promoted; (2) by enhancing the electron–hole pairs separation and inhibiting their recombination, the Ag dopant enhances the charge pair separation efficiency for doped TiO₂ films.     

石墨烯封装单层二硫化钼的热稳定性研究

将单层二硫化钼用石墨烯进行封装,构造了石墨烯和二硫化钼的范德瓦耳斯异质结构,并且分别在氩气（Ar）和氢气（H₂）氛围下,详细研究了被封装的二硫化钼的热稳定性.结果表明：在氩气氛围中,石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直保持稳定,而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在1000℃时几乎全部分解;在氢气氛围中,石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直稳定存在,而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在800℃下已经完全分解.综上可得,在氩气和氢气的氛围下,被石墨烯封装的二硫化钼的热稳定性得到了显著的提高.该研究通过用石墨烯将单层的二硫化钼进行封装以提高其热稳定性,在未来以单层二硫化钼作为基础材料的电子器件中,可以保证其在高温下能够正常工作.该研究也为提高其他二维材料的热稳定性提供了一种可行的方法和思路.     

CVD法单层MoS2在209Bi离子辐照下的损伤效应研究

通过光学显微镜、拉曼光谱确定了CVD（化学气相沉积法）制备的不同厚度MoS₂的层数,采用拉曼分析结合原子力显微镜观测分析了由HIRFL提供的高能209Bi离子辐照CVD制备的单层MoS₂样品随辐照注量的损伤规律。随辐照注量增加,E_2g1和A_1g两种声子振动模式对应的拉曼峰逐渐蓝移,且拉曼特征峰强度减弱,这是由于带正电荷的209Bi辐照产生潜径迹型晶格缺陷吸附空气中氧分子而引入p型掺杂引起的。同时,在辐照注量为5×1010 ions/cm2的单层MoS₂的AFM图像中观察到潜径迹主要以凹坑形式出现,与机械剥离法观测到的凸起径迹明显不同,分析了不同制备工艺对径迹形貌的影响。比较了机械剥离法制备MoS₂样品的拉曼光谱和AFM成像的实验数据和结果,认为不同制备方法会影响单层或少层MoS₂的电子密度。The layer number of MoS₂ with different thickness was determined by the optical microscope and Raman spectra. And the damage effect of the CVD (chemical vapor deposition) prepared single-layer MoS₂ sample irradiated by 209Bi ions was analyzed by the combination of Raman analysis and AFM observations. With the increase of irradiation fluence, the Raman characteristic peaks of E_2g1 and A_1g corresponding to both phonon vibration modes gradually bluely shift, and the intensity of the peaks obviously decreased. This is due to the fact that the 209Bi ion irradiation results in the latent track type lattice defects and they adsorb the oxygen molecules in the air ended with the p-type doping. Meanwhile, from the AFM image of the mono-layer of irradiated MoS₂ under the 5×1010 ions/cm2, it can been seen that latent tracks mainly occur in the form of pits, which different from the hillock tracks observed by mechanical stripping method. The influence of different preparation technology to the track morphology is analyzed. Compared with the Raman and AFM results of MoS₂ prepared by mechanical stripping, it is considered that different preparation methods will affect the electron density in single or few layers of MoS₂.