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，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丁?qiáng)的光與物質(zhì)交互作用以及自旋、谷特性等。此外，由過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)到降低接觸勢壘的目的，進(jìn)一步提高器件性能；另一方面，通過構(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MoS2/SiO2接觸界面處內(nèi)建電場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之間的隧穿勢壘逐漸增大。
　　利用柵極電場調(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場效應(yīng)晶體管閥值電壓時，MoS2的表面電勢逐漸增大，相應(yīng)的功函數(shù)則逐漸降低，當(dāng)電壓為13V時，雙層MoS2的功函數(shù)下降約115meV，與MoS2晶體管場效應(yīng)計算結(jié)果一致。利用開爾文探針顯微鏡表征了雙層MoS2與Pt電極之間的接觸勢壘，發(fā)現(xiàn)兩端的電接觸勢壘不對稱，與兩探針測試結(jié)果吻合，電接觸處電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制為熱電子場發(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，并通過拉曼光譜、場效應(yīng)晶體管測試及

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)建電場導(dǎo)致光生電子-空穴對分離，以及光生電子-空穴對誘發(fā)n-Si/MoS2界面處勢壘高度及寬度發(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。通過計算MoS2載流子濃度及界面處的接觸勢壘，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。
　　通過電場調(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。