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.     

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.     

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.     

单层MoSe2单晶的光学及电学性能探究

采用Au箔作为生长衬底,通过化学气相沉积法制备了高质量的单层MoSe₂单晶.通过光学显微镜、扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜等对其形貌和结构进行了表征,研究了单层MoSe₂单晶的光学及电学特性.结果表明：单层MoSe₂具有非线性光学特性,并具有直接带隙结构(带隙宽度约为1.56 eV)及较好的光致发光特性.当其作为场效应晶体管器件的半导体沟道材料时,器件的载流子迁移率为1.6 cm²/(V·s),开关比约为10⁴.     

a-Si ∶H/SiO2多量子阱材料制备及其光学性能和微结构研究

利用等离子体增强化学气相沉积技术制备了a-Si ∶H/SiO₂多量子阱结构材料.对a-Si ∶H/SiO₂多量子阱样品分别进行了3种不同的热处理,其中样品经1100 ℃高温退火可获得尺寸可控的nc-Si:H/SiO₂量子点超晶格结构,其尺寸与非晶硅子层厚度相当.比较了a-Si ∶H/SiO₂多量子阱材料与相同制备工艺条件下a-Si ∶H材料的吸收系数,在紫外/可见短波段前者的吸收系数明显增大,光学吸收边蓝移,说明该材料 关键词： 多量子阱 量子限制效应 光学吸收 能带结构     

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.     

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。     

不同Sb含量p-SnO2薄膜的制备和特性

采用化学气相沉积方法, 利用Sb₂O₃/SnO作为源材料, 在蓝宝石衬底上制备出不同Sb掺杂量的SnO₂薄膜, 并在此基础上制作出p-SnO₂:Sb/n-SnO₂同质p-n 结器件. 研究表明, 随着Sb含量的增加, 样品表面变得平滑, 晶粒尺寸逐渐增大, 且晶体质量有所改善, 发现少量Sb的掺入可以起到表面活化剂的作用. Hall测量结果证实适量Sb的掺杂可以使SnO₂呈现p型导电特性, 当Sb₂O₃/SnO的质量比为1:5时, 其电学参数为最佳值. 此外, p-SnO₂:Sb/n-SnO₂同质p-n结器件展现出良好的整流特性, 其正向开启电压为3.4 V.     

一种简单的化学气相沉积法制备大尺寸单层二硫化钼

最近单层二硫化钼以其直接带隙的性质及在电子器件、催化、光电等领域中的潜在应用而备受关注.化学气相沉积法能够制备出高质量、大尺寸且性能优良的单层二硫化钼,但其制备工艺比较复杂.本文采用简化的化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备出了大尺寸的单晶二硫化钼.清洗衬底时,只需要简单的清洁,不需要用丙酮、食人鱼溶液(H_2SO_4/H_2O_2=3:1)等处理,这样既减少了操作步骤,又避免了潜在的危险.升温时直接从室温加热到生长的温度,不必分段升温,并且采用常压化学气相沉积法,不需要抽真空等过程,使得实验可以快捷方便地进行.光学显微镜、拉曼光谱和光致发光谱的结果表明,生长的二硫化钼为规则的三角形单层,边长为50μm左右,远大于机械剥离的样品.     

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.     

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.     

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.     

层状二硫化钼研究进展

近年来,层状二硫化钼由于其特殊的类石墨烯结构和独特的物理化学性质已成为国内外研究的热点.本文综述了层状二硫化钼的物理结构、价带结构和光学性质;介绍了制备方法,包括生长制备和剥离制备.生长制备的原料包括四硫代钼酸铵((NH4)_2MoS_4)、钼(Mo)和三氧化钼(MoO_3)等.剥离制备包括微机械剥离、液相超声法、锂离子插层法和电化学锂离子插层法等.归纳了层状二硫化钼在场效应晶体管、传感器和存储方面的应用,展望了层状二硫化钼的研究前景.     

Se和MoSe_2纳米片的结构和发光性能

以Se粉和MoO_3粉为源材料,利用热丝化学气相沉积在N_2中制备了Se和MoSe_2纳米片.利用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线能谱仪、显微Raman光谱仪和X射线光电子谱仪对Se和MoSe_2纳米片的结构和组成进行了系统研究.结果表明:Se粉和M0O_3粉的混合与否直接影响了Se和MoSe_2纳米片的形成和结构;当Se粉和MoO_3粉充分混合时形成Se纳米片,而Se和MoO_3粉分开放置时则形成MoSe_2纳米片.研究发现这是由于Se和MoO_3粉的混合与否使Se和MoO_3在气相中的不同反应所致.对Se和MoSe_2纳米片的发光性能研究表明,它们分别产生了774,783和784 nm的发光峰,不同于单层MoSe_2纳米片的发光性能.这些结果丰富了对二维Se基纳米材料的合成和光学性能的知识,有助于对Se基二维纳米材料的光电器件的研制.     

BaGd2(MoO4)4:Tb3+,Eu3+荧光粉的 发光特性与能量传递机理

利用高温固相法制备了BaGd_2(MoO_4)_4∶Tb~(3+)与BaGd_2(MoO_4)_4∶Tb~(3+),Eu~(3+)荧光粉,并借助于X射线衍射(XRD)、激发光谱、发射光谱及荧光衰减曲线对样品的结构及发光性能进行了表征。在290 nm激发下,BaGd_2(MoO_4)_4∶Tb~(3+)样品在550 nm处具有较强的绿光发射,表明该样品可用作绿色荧光粉。Tb~(3+)离子的最佳掺杂浓度为50%,电偶极间相互作用是引起浓度猝灭效应的主要原因。当在BaGd_2(MoO_4)_4∶Tb~(3+)荧光粉中共掺入Eu~(3+)离子后,可同时观测到Tb~(3+)与Eu~(3+)离子的特征发射峰。随Eu~(3+)掺杂浓度的升高,Tb~(3+)离子的发光强度逐渐下降,而Eu~(3+)离子的发光强度逐渐增加。根据BaGd_2(MoO_4)_4∶Tb~(3+),Eu~(3+)中Tb~(3+)离子的荧光寿命计算了Tb~(3+)与Eu~(3+)离子间的能量传递效率,并根据荧光寿命与激活离子掺杂浓度的关系证实了能量传递机制为电偶极间相互作用。     

高质量单层二硫化钼薄膜的研究进展

作为一种新型的二维半导体材料,单层二硫化钼薄膜由于其优异的特性,在电子学与光电子学等众多领域具有潜在的应用价值.本文综述了我们课题组在过去几年中针对单层二硫化钼薄膜的研究所取得的进展,具体包括:在二硫化钼薄膜的制备方面,通过氧辅助化学气相沉积方法,实现了大尺寸单层二硫化钼单晶的可控生长和晶圆级单层二硫化钼薄膜的高定向外延生长;在二硫化钼薄膜的加工方面,发展了单层二硫化钼薄膜的无损转移、洁净图案化加工、可控结构相变与局域相调控的方法,为场效应晶体管等电子学器件的制备与性能优化提供了基础;在二硫化钼异质结方面,研究了二硫化钼薄膜与其他二维材料形成的异质结的电学以及光电性质,为二维材料异质结的构筑和器件特性研究提供了实验参考;在二硫化钼薄膜功能化器件与应用方面,构筑了全二维材料、亚5 nm超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的有效抑制及其在5 nm工艺节点器件中的应用优势;此外,利用制备的高质量单层二硫化钼和发展的器件洁净加工技术,实现了高性能柔性薄膜晶体管的集成,获得了超高灵敏度与稳定性的非接触型湿度传感器.我们在二硫化钼薄膜的制备、加工以及器件特性研究方面所取得的进展对于二硫化钼及其他二维过渡金属硫属化合物的基础和应用研究均具有指导意义.     

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.     

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.