MoS2、WSe2二維材料及相關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電學(xué)與光電性質(zhì).pdf

1、近十年來(lái)，由于其獨(dú)特而新穎的物理及化學(xué)特性，如超高的載流子遷移率、良好的力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性等，以石墨烯、MoS2為代表的二維材料的研究逐漸引起廣泛關(guān)注。過(guò)渡金屬硫族化合物被認(rèn)為在電學(xué)及光電器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，這是因?yàn)槠渚哂斜菊鲙?、?qiáng)的光與物質(zhì)交互作用以及自旋、谷特性等。此外，由過(guò)渡金屬硫族化合物組成的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究也逐漸興起。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處不需要考慮晶格匹配，而且制備方法非常簡(jiǎn)單，是研

2、究異質(zhì)結(jié)構(gòu)光學(xué)及電學(xué)特性的理想體系。本文從二維納米材料與金屬的電接觸行為出發(fā)，通過(guò)物理及化學(xué)的方法調(diào)制MoS2載流子濃度，以便達(dá)到降低接觸勢(shì)壘的目的，進(jìn)一步提高器件性能；另一方面，通過(guò)構(gòu)筑垂直及平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電及光伏特性，并調(diào)制異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光及激子態(tài)行為等，揭示TMD/石墨烯范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中影響激子態(tài)行為的因素，為開發(fā)新型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電器件、理解異質(zhì)結(jié)構(gòu)中新的物理內(nèi)涵奠定基礎(chǔ)。
　　本文首先利用開爾文探針顯微鏡

3、研究了MoS2納米片的層間電荷屏蔽效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)MoS2的表面電勢(shì)隨著層數(shù)的增大而增大，層間電荷屏蔽臨界尺寸約為5nm。MoS2納米片層間電荷屏蔽效應(yīng)是由于MoS2中電荷對(duì)MoS2/SiO2接觸界面處內(nèi)建電場(chǎng)的屏蔽作用不同所引起的。此外，利用導(dǎo)電原子力顯微鏡研究了不同厚度MoS2與金屬Pt之間的電接觸行為，發(fā)現(xiàn)隨著厚度的增大，MoS2與Pt之間的隧穿勢(shì)壘逐漸增大。
　　利用柵極電場(chǎng)調(diào)制了雙層MoS2納米片的載流子濃度。當(dāng)柵極電壓高于M

4、oS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管閥值電壓時(shí)，MoS2的表面電勢(shì)逐漸增大，相應(yīng)的功函數(shù)則逐漸降低，當(dāng)電壓為13V時(shí)，雙層MoS2的功函數(shù)下降約115meV，與MoS2晶體管場(chǎng)效應(yīng)計(jì)算結(jié)果一致。利用開爾文探針顯微鏡表征了雙層MoS2與Pt電極之間的接觸勢(shì)壘，發(fā)現(xiàn)兩端的電接觸勢(shì)壘不對(duì)稱，與兩探針測(cè)試結(jié)果吻合，電接觸處電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制為熱電子場(chǎng)發(fā)射模型。利用具有不同偶極矩的自組裝單分子層電荷注入調(diào)制了MoS2納米片的載流子濃度，并通過(guò)拉曼光譜、場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)試及

5、開爾文探針顯微鏡證實(shí)了MoS2載流子濃度的變化，即具有-NH2基團(tuán)的APTMS單分子層具有n型摻雜，使得MoS2載流子濃度增大；而具有-CF3基團(tuán)的FOTS從MoS2中得到電子，使得MoS2載流子濃度降低。KFM結(jié)果表明，單層MoS2費(fèi)米能級(jí)變化范圍約為0.47eV。
　　構(gòu)筑了Si/MoS2垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)并研究了異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光電及光伏器件性能。n-Si/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有光二極管特性，最大光響應(yīng)系數(shù)為7.2A/W。p-Si/MoS

6、2也出現(xiàn)光二極管特性，但光響應(yīng)系數(shù)較小。開爾文探針顯微鏡結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)n-Si/MoS2界面處光生電荷分離效率要大大高于p-Si/MoS2。結(jié)合開爾文探針顯微鏡結(jié)果及Si/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處能帶排列，p-Si/MoS2與n-Si/MoS2光二極管特性分別歸因于：p-n結(jié)界面處的內(nèi)建電場(chǎng)導(dǎo)致光生電子-空穴對(duì)分離，以及光生電子-空穴對(duì)誘發(fā)n-Si/MoS2界面處勢(shì)壘高度及寬度發(fā)生變化。利用激光氧化的方法構(gòu)筑了單層-少層WSe2類肖特基二

7、極管及WSe2/WO3平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)兩種類型器件在紫外及近紅外波段均具有較好的光探測(cè)性能及光伏特性。WSe2/WO3平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的最大光響應(yīng)系數(shù)及外部量子效率分別為2.5A/W和656％。而單層-少層WSe2類肖特基二極管光響應(yīng)系數(shù)、外部量子效率及能量轉(zhuǎn)換效率分別為10A/W、2632%及1.3%。
　　利用電化學(xué)電介質(zhì)作為柵極調(diào)制了MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光特性，并系統(tǒng)研究了異質(zhì)結(jié)構(gòu)激子態(tài)行為隨柵極電壓的變化規(guī)律。

8、MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)激子強(qiáng)度以及負(fù)激子與中性激子強(qiáng)度比調(diào)制范圍分別高達(dá)200及30，激子態(tài)位置偏移高達(dá)40meV。通過(guò)計(jì)算MoS2載流子濃度及界面處的接觸勢(shì)壘，我們發(fā)現(xiàn)MoS2載流子濃度的變化與界面處激子的層間弛豫共同決定MoS2/石墨烯的光致發(fā)光行為，即在正向偏壓下，激子的層間弛豫對(duì)MoS2/石墨烯光致發(fā)光的調(diào)制起主要作用；而在負(fù)向偏壓下，MoS2載流子濃度的變化決定光致發(fā)光行為。此外，通過(guò)引入自組裝單分子層調(diào)制MoS2/石墨烯能

9、帶排列以及MoS2載流子濃度，我們進(jìn)一步驗(yàn)證了MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中光致發(fā)光行為由MoS2載流子濃度決定。
　　通過(guò)電場(chǎng)調(diào)制WSe2/石墨烯及WSe2/MoS2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光行為，我們證實(shí)WSe2與石墨烯界面處激子的層間弛豫決定著WSe2/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光調(diào)控，而WSe2中載流子濃度的變化起次要作用。而且WSe2/石墨烯界面處的層間弛豫能力甚至要強(qiáng)于MoS2/石墨烯及WSe2/MoS2界面處的層間弛豫能力。