二硫化钼的电子能带结构和低温输运实验进展

二硫化钼是一种层状的过渡金属硫族化合物半导体,它在二维自旋电子学、谷电子学及光电子学领域有很多的应用.本综述以二硫化钼为代表,系统介绍其单层、双层及转角双层的堆垛和能带结构;介绍了转角双层莫尔超晶格的制备方法、以及低温电学输运方面的实验进展,例如超导和强关联现象;分析了转角过渡金属硫化物莫尔超晶格在优化接触和样品质量等方面存在的一些挑战,并展望该领域未来的发展.     

平衡方程输运理论与电子关联

１９３４年丁秦生和雷啸霖提出的热载流子输运平衡方程理论把电场作用下多电子运动化为一个单粒子（质心）的力学运动加上相对电子的统计运动，这使得非线性输运得到简洁描述，成为实际系统输运研究中很有用的方法。它的成功也重新引发了学术界的与之争。争论使人们认识到当前存在两类不同的输运理论。通常的玻耳兹曼方程、久保公式等代表弱电子耦合极限，得出的线性电阻率正比于；而雷－丁平衡方程理论、力关联函数公式等则代表强电子耦合极限，得出的线性电阻率正比于．两种理论都在广泛使用，各有自己的适用范围和局限。     

单层二硫化钼多相性质及相变的第一性原理研究

本文基于密度泛函的第一性原理,并引入范德瓦耳斯力修正,研究了单层二硫化钼2H,1T,ZT三种相的电学性质及相变原理.首先通过结构弛豫确定了三种相的几何结构,能带和态密度计算证实1T相具有金属性质,ZT相具有半导体性质,带隙为0.01 eV.然后结合变形势理论计算了2H和ZT相的迁移率,ZT相的迁移率高达104cm~2·V~(-1)·s~(-1),进一步拓展了单层二硫化钼的应用范围.最后通过对比三种相吸附锂原子结合能,计算2H-1T相变能量曲线,解释了引起二硫化钼相变的原因.本文的研究结果将对单层二硫化钼实验制备表征以及相关光电器件性能分析提供重要参考.     

高电子迁移率晶体管及其应用

简要介绍了高电子迁移率晶体管的基本原理，应用及近年来的进展，它具有的高速，高频，低噪声等优异性能，使它将成为未来的主流微波器件。     

光照下高电子迁移率晶体管特性分析

以光照下耗尽型AlGaAs/GaAs高电子迁移率晶体管为例,考虑了光生载流子对半导体内电荷密度的影响和光压效应,采用器件的电荷控制模型,分析了光照对器件夹断电压、二维电子气浓度、I-V特性以及跨导的影响.与无光照的情况相比较,夹断电压变小,二维电子气浓度 增大,从而提高了器件的电流增益,增大了跨导.     

非高斯噪声对惯性棘轮中粒子负迁移率的影响

利用随机模拟方法研究了惯性棘轮中非高斯噪声对负迁移率的影响. 分别模拟了绝对负迁移率(ANM), 非线性迁移率(NNM) 和负微分迁移率(NDM) 等三种反常输运现象. 计算结果表明: 1) 在不同的参数空间里, 非高斯噪声参数q 能够增强或者削弱ANM, 诱导NNM 和NDM; 2) 当q 较大时, 反常输运现象转化为正常输运; 3) 随着q 逐渐增大, 平均速度- 关联时间特性曲线朝着关联时间较小的方向移动并且其峰值逐渐减小. 关键词： 反常输运 负迁移率 非高斯噪声     

高功率微波作用下高电子迁移率晶体管的损伤机理

本文针对高电子迁移率晶体管在高功率微波注入条件下的损伤过程和机理进行了研究,借助SentaurusTCAD仿真软件建立了晶体管的二维电热模型,并仿真了高功率微波注入下的器件响应.探索了器件内部电流密度、电场强度、温度分布以及端电流随微波作用时间的变化规律.研究结果表明,当幅值为20 V,频率为14.9 GHz的微波信号由栅极注入后,器件正半周电流密度远大于负半周电流密度,而负半周电场强度高于正半周电场.在强电场和大电流的共同作用下,器件内部的升温过程同时发生在信号的正、负半周内.又因栅极下靠近源极侧既是电场最强处,也是电流最密集之处,使得温度峰值出现在该处.最后,对微波信号损伤的高电子迁移率晶体管进行表面形貌失效分析,表明仿真与实验结果符合良好.     

纳米MOSFET迁移率解析模型

从玻尔兹曼方程出发，重新计算了纳米MOSFET沟道内的载流子所服从的分布函数，特别是考虑了纳米MOSFET横向电场和纵向电场之间的相互作用，并且以得到的非平衡状态下的分布函数为基础，考虑载流子寿命和速度的统计分布，给出了纳米MOSFET载流子迁移率的解析表达式.通过与数值模拟结果进行比较和分析，该迁移率解析模型形式简洁、物理概念清晰，且具有相当精度. 关键词： 玻尔兹曼方程 纳米MOSFET 迁移率 沟道有效电场     

金衬底调控单层二硫化钼电子性能的第一性原理研究

基于密度泛函的第一性原理研究了金衬底对单层二硫化钼电子性能的调控作用. 从结合能、能带结构、电子态密度和差分电荷密度四个方面进行了深入研究. 结合能计算确定了硫原子层在界面的排布方式, 并指出这种吸附结构并不稳定. 能带结构分析证实了金衬底与单层二硫化钼形成肖特基接触, 并出现钉扎效应. 电子态密度分析表明金衬底并没有影响硫原子和钼原子之间的共价键, 而是通过调控单层二硫化钼的电子态密度增加其导电率. 差分电荷密度分析表明单层二硫化钼的导电通道可能在界面处产生. 研究结果可对单层二硫化钼晶体管的建模和实验制备提供指导.     

磷化铟复合沟道高电子迁移率晶体管击穿特性研究

用密度梯度量子模型定量研究了磷化铟(InP)复合沟道高电子迁移率晶体管(HEMT)的击穿特性，考虑了复合沟道内碰撞电离以及沟道量子效应，重点研究了器件击穿电压随In_0.7Ga_0.3As沟道厚度的变化关系，提出了提高击穿电压的方法，采用商用器件模拟软件Sentaurus模拟了器件的开态击穿电压，对比了实验和模拟的结果. 研究表明：适当减小In_0.7Ga_0.3As沟道层的厚度可以在保持器件饱和电流基本不变的前提下大幅度提高开态击穿电压，这对于提高InP基HEMT的功率性能具有重要意义. 关键词： 磷化铟 高电子迁移率晶体管 密度梯度模型 击穿     

缺陷对单层MoS2电子结构的影响

为了研究缺陷对单层MoS2的电子结构, 本文基于密度泛函理论框架下的第一性原理, 采用数值基组的方法计算了MoS2的Mo位缺陷、S位缺陷的能带结构和态密度.结果发现：Mo位缺陷、S位缺陷的MoS2的能带结构中的价带顶与导带底都在Q点, 为直接带隙材料; 其中Mo位缺陷体的禁带区域都出现5条新能级, S位缺陷体的禁带区域出现了3条新能级; 缺陷体能带结构的能量下降与体系中未成键的电子有关.对于态密度而言, Mo位缺陷体的费米能级处出现了峰值, 表明Mo位缺陷会对其光电性质带来影响.同时分析电荷分布发现, Mo缺陷周围存在着负电荷聚集的现象, S缺陷周围存在正电荷聚集的现象.     

缺陷对单层MoS_2电子结构的影响

为了研究缺陷对单层MoS_2的电子结构,本文基于密度泛函理论框架下的第一性原理,采用数值基组的方法计算了MoS_2的Mo位缺陷、S位缺陷的能带结构和态密度.结果发现:Mo位缺陷、S位缺陷的MoS_2的能带结构中的价带顶与导带底都在Q点,为直接带隙材料;其中Mo位缺陷体的禁带区域都出现5条新能级,S位缺陷体的禁带区域出现了3条新能级;缺陷体能带结构的能量下降与体系中未成键的电子有关.对于态密度而言,Mo位缺陷体的费米能级处出现了峰值,表明Mo位缺陷会对其光电性质带来影响.同时分析电荷分布发现,Mo缺陷周围存在着负电荷聚集的现象,S缺陷周围存在正电荷聚集的现象.     

Monolayer MoS2 of high mobility grown on SiO2 substrate by two-step chemical vapor deposition

We report a novel two-step ambient pressure chemical vapor deposition (CVD) pathway to grow high-quality MoS₂ monolayer on the SiO₂ substrate with large crystal size up to 110 μm. The large specific surface area of the pre-synthesized MoO₃ flakes on the mica substrate compared to MoO₃ powder could dramatically reduce the consumption of the Mo source. The electronic information inferred from the four-probe scanning tunneling microscope (4P-STM) image explains the threshold voltage variations and the n-type behavior observed in the two-terminal transport measurements. Furthermore, the direct van der Pauw transport also confirms its relatively high carrier mobility. Our study provides a reliable method to synthesize high-quality MoS₂ monolayer, which is confirmed by the direct 4P-STM measurement results. Such methodology is a key step toward the large-scale growth of transition metal dichalcogenides (TMDs) on the SiO₂ substrate and is essential to further development of the TMDs-related integrated devices.     

Screening and interlayer coupling in multilayer MoS2

The two‐dimensional layered semiconducting di‐chalcogenides are emerging as promising candidates for post‐Si‐CMOS applications owing to their excellent electrostatic integrity and the presence of a finite energy bandgap, unlike graphene. However, in order to unravel the ultimate potential of these materials, one needs to investigate different aspects of carrier transport. In this Letter, we present the first comprehensive experimental study on the dependence of carrier mobility on the layer thickness of back‐gated multilayer MoS₂ field‐effect transistors. We observe a non‐monotonic trend in the extracted effective field‐effect mobility with layer thickness which is of relevance for the design of high‐performance devices. We also discuss a detailed theoretical model based on Thomas–Fermi charge screening and interlayer coupling in order to explain our experimental observations. Our model is generic and, therefore, is believed to be applicable to any two‐dimensional layered system.

     

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.     

过渡金属原子掺杂对单层MoS_2磁性的影响

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法分别计算了本征及过渡金属掺杂单层MoS_2的晶格参数、电子结构和磁性性质.计算结果显示,过渡金属掺杂所引起的晶格畸变与杂质原子的共价半径有联系,但并不完全取决于共价半径的大小.分析电子结构可以看到,VIIB、VIII和IB族杂质中除Ag和Re外的掺杂体系都对外显示磁性,磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上.掺杂体系的禁带区域都出现了数目不等的杂质能级,这些杂质能级主要由杂质的d、S的3p和Mo的4d轨道组成.     

剪切形变下掺杂及缺陷对MoS2电子结构的影响

本文利用密度泛函理论,研究剪切形变下掺杂改性及不同类型缺陷对MoS2电子结构的影响。发现：剪切形变下,MoS2+P体系为相对最稳定的结构,掺杂改性相较于缺陷对模型稳定性影响更小;模型MoS2+P+Se中P-Mo键易形成共价键,而其中的Se-Mo键和MoS2+P-Mo-S模型中的P-Mo键,易形成离子键;掺杂使MoS2模型能隙变大,而缺陷使能隙减小,且S和Mo原子共缺陷的模型带隙为0;缺陷相较于掺杂改性模型,更能使Mo原子周围增加电荷聚集度,带隙值更低,更能影响或调控模型的电子结构。     

基于密度泛函理论探究拉伸应变对MoS2光电性能影响

本文用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了拉伸应变对MoS₂光电性能的影响.发现:稳定性最强的为本征MoS₂,最弱的为拉伸形变为30%的MoS₂模型.拉伸形变使Mo-S原子键长增大,周围电荷密度降低,键强减弱,并可以一定程度上改变Mo-S原子最外层电子的杂化强度及价带顶和导带底的电子移动.不同拉伸形变MoS₂模型对应的反射系数,随着拉伸应变的增加,反射峰值也逐渐增大.且频率范围在8.8 eV-9.15 eV区间内,紫外光处有较高的透光率,有望用于制备紫外光传感器等材料.     

Low‐temperature photoluminescence of oxide‐covered single‐layer MoS2

We present a photoluminescence study of single‐layer MoS₂ flakes on SiO₂ surfaces. We demonstrate that the luminescence peak position of flakes prepared from natural MoS₂, which varies by up to 25 meV between individual flakes, can be homogenized by annealing in vacuum. We use HfO₂ and Al₂O₃ layers prepared by atomic layer deposition to cover some of our flakes. In these flakes, we observe a suppression of the low‐energy luminescence peak which appears in asprepared flakes at low temperatures. We infer that this peak originates from excitons bound to surface adsorbates. We also observe different temperature‐induced shifts of the luminescence peaks for the oxide‐covered flakes. This effect stems from the different thermal expansion coefficients of the oxide layers and the MoS₂ flakes. It indicates that the single‐layer MoS₂ flakes strongly adhere to the oxide layers and are therefore strained. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)