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...     

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.     

MoS2/SiO2界面黏附性能的尺寸和温度效应

探索二维材料与其衬底之间的黏附性能对于二维材料的制备、转移以及器件性能的优化至关重要.本文基于原子键弛豫理论和连续介质力学方法,系统研究了尺寸和温度对MoS₂/SiO₂界面黏附性能的影响.结果表明,由于表面效应引起的热膨胀系数、晶格应变和杨氏模量的变化, MoS₂/SiO₂界面黏附能随MoS₂厚度的减小而增大,而热应变使MoS₂/SiO₂界面黏附能随温度的升高而逐渐降低.此外,预测了在不同尺寸和温度下MoS₂在SiO₂衬底上的“脱落”条件,系统阐述了MoS₂与SiO₂衬底之间黏附性能的物理机制,为基于二维材料电子器件的优化设计提供了理论基础.     

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。     

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.     

CuPc/MoS2范德瓦耳斯异质结荧光特性

在众多二维材料中,过渡金属硫族化合物由于其具有独特的光电特性深受广大研究者喜爱.近年来,由二维过渡金属硫族化合物材料与有机半导体结合构建的范德瓦耳斯异质结受到极大的关注.这种异质结可以利用两者的优势对光电特性等性能进行调控,为许多基础物理和功能器件的构建提供了研究思路.本文构建了酞菁铜/二硫化钼(CuPc/MoS₂)范德瓦耳斯异质结,并对其荧光特性进行了表征和分析.与单层MoS₂相比较发现,引入有机半导体CuPc后,异质结当中发生了明显的荧光淬灭现象.通过荧光分析,该现象可以用引入CuPc后异质结中负三激子与中性激子之比增加来解释.此外,通过第一性原理计算分析发现,引入CuPc会在MoS₂的禁带中引入中间带隙态,使得CuPc与MoS₂之间产生非辐射复合,这同样会导致荧光淬灭的发生.CuPc/MoS₂异质结的荧光淬灭现象可以为同类型范德瓦耳斯异质结的光电特性调控研究提供参考和思路.     

悬空氧化铟纳米线晶体管制备与光电性能表征

一维(1D)半导体纳米线在纳米电子学和纳米光子学中表现出色。然而,纳米线晶体管的电特性对纳米线与衬底之间的相互作用非常敏感,而优化器件结构可以改善纳米线晶体管的电学和光电检测性能。本文报道了通过一步式光刻技术制造的悬浮式In₂O₃纳米线晶体管,显示出54.6 cm²V^?1s^?1的高迁移率和241.5 mVdec^?1的低亚阈值摆幅。作为紫外光电探测器,光电晶体管显示出极低的暗电流(~10?13 A)和高响应度1.6×10⁵ A?W^?1。悬浮晶体管的沟道材料的这种简单而有效的制备方法可广泛用于制造高性能微纳米器件。     

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     

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.     

单层MoS2掺杂Au、 Ag光学性质的第一性原理研究

二维材料因其优异的光电性能、可调的能带结构广泛应用于传感电子领域,如场效应晶体管、拉曼增强基底、光电探测器等光电子器件。通过掺杂可以将材料改性进而提高材料的载流子浓度和电导率,这将增强材料界面处的电荷转移从而调控材料的光电特性。本文搭建了单层MoS₂以及在MoS₂晶胞中掺杂Au、 Ag原子,通过理论计算得到材料的介电函数、光吸收谱和反射谱,为该材料在光电领域的应用提供理论依据。     

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     

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.     

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.     

(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.     

二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对带边电位影响的理论研究

采用基于色散修正的平面波超软赝势方法研究了二硫化钼/石墨烯异质结的界面结合作用及其对电荷分布和带边电位的影响.研究表明二硫化钼与石墨烯之间可以形成范德瓦耳斯力结合的稳定堆叠结构.通过能带结构计算,发现二硫化钼与石墨烯的耦合导致二硫化钼成为n型半导体,石墨烯转变成小带隙的p型体系.并通过电子密度差分图证实了界面内二硫化钼附近聚集负电荷,石墨烯附近聚集正电荷,界面内形成的内建电场可以抑制光生电子-空穴对的复合.石墨烯的引入可以调制二硫化钼的能带,使其导带底上移至-0.31 eV,提高了光生电子还原能力,有利于光催化还原反应.     

掺杂对金属-MoS_2界面性质调制的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了卤族元素掺杂对金属-MoS_2界面性质的影响,包括缺陷形成能、电子能带结构、差分电荷密度以及电荷布居分布.计算结果表明:卤族元素原子倾向于占据单层MoS_2表面的S原子位置;对于单层MoS_2而言,卤族元素的掺杂将在禁带中引入杂质能级以及导致费米能级位置的移动.对于金属-MoS_2界面体系,结合Schottky-Mott模型,证明了卤族元素的掺杂可以有效地调制金属-MoS_2界面间的肖特基势垒高度.发现F和Cl原子的掺杂将会降低体系的肖特基势垒高度.相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了体系的肖特基势垒高度.通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致.研究结果解释了相关实验现象,并给二维材料的器件化应用提供了调节手段.     

Electronic properties of 2H-stacking bilayer MoS2 measured by terahertz time-domain spectroscopy

Bilayer (BL) molybdenum disulfide (MoS₂) is one of the most important electronic structures not only in valleytronics but also in realizing twistronic systems on the basis of the topological mosaics in moiré superlattices. In this work, BL MoS₂ on sapphire substrate with 2H-stacking structure is fabricated. We apply the terahertz (THz) time-domain spectroscopy (TDS) for examining the basic optoelectronic properties of this kind of BL MoS₂. The optical conductivity of BL MoS₂ is obtained in temperature regime from 80 K to 280 K. Through fitting the experimental data with the theoretical formula, the key sample parameters of BL MoS₂ can be determined, such as the electron density, the electronic relaxation time and the electronic localization factor. The temperature dependence of these parameters is examined and analyzed. We find that, similar to monolayer (ML) MoS₂, BL MoS₂ with 2H-stacking can respond strongly to THz radiation field and show semiconductor-like optoelectronic features. The theoretical calculations using density functional theory (DFT) can help us to further understand why the THz optoelectronic properties of BL MoS₂ differ from those observed for ML MoS₂. The results obtained from this study indicate that the THz TDS can be applied suitably to study the optoelectronic properties of BL MoS₂ based twistronic systems for novel applications as optical and optoelectronic materials and devices.     

Electronic and optical properties of 3N-doped graphdiyne/MoS2 heterostructures tuned by biaxial strain and external electric field

The construction of van der Waals (vdW) heterostructures by stacking different two-dimensional layered materials have been recognised as an effective strategy to obtain the desired properties. The 3N-doped graphdiyne (N-GY) has been successfully synthesized in the laboratory. It could be assembled into a supercapacitor and can be used for tensile energy storage. However, the flat band and wide forbidden bands could hinder its application of N-GY layer in optoelectronic and nanoelectronic devices. In order to extend the application of N-GY layer in electronic devices, MoS₂ was selected to construct an N-GY/MoS₂ heterostructure due to its good electronic and optical properties. The N-GY/MoS₂ heterostructure has an optical absorption range from the visible to ultraviolet with a absorption coefficient of 10⁵ cm^-1. The N-GY/MoS₂ heterostructure exhibits a type-Ⅱ band alignment allows the electron-hole to be located on N-GY and MoS₂ respectively, which can further reduce the electron-hole complexation to increase exciton lifetime. The power conversion efficiency of N-GY/MoS₂ heterostructure is up to 17.77%, indicating it is a promising candidate material for solar cells. In addition, the external electric field and biaxial strain could effectively tune the electronic structure. Our results provide a theoretical support for the design and application of N-GY/MoS₂ vdW heterostructures in semiconductor sensors and photovoltaic devices.