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氢辅助单元素二维材料的可控生长及光电应用

氢辅助单元素二维材料的可控生长及光电应用

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研究背景

单质元素二维材料,包括石墨烯、锗烯、硅烯、硼烯和磷烯等,由于其独特的光电性质,在光电子学、拓扑超导以及量子自旋霍尔效应等领域引起了人们的广泛关注。然而,目前报道的单质元素二维材料大多集中在IIIA-VA族,而VIA族的元素却鲜有报道,作为其中代表性的元素,Te具有可调谐的带隙、优良的热电性能、快速光电导性能和各向异性的电导率等独特物理化学性质,在场效应晶体管、热电器件以及光电探测器等领域都具有潜在的研究价值和应用前景。然而,大多数报道的二维Te薄膜是通过溶液法或气相传输合成的,不可避免地会引入杂质、有机物和缺陷。因此,开发一种生长高质量的超薄Te薄膜的可靠方法仍然是一个巨大的挑战。

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成果介绍

近日, Advanced Functional Materials杂志在线发表了华中科大翟天佑和周兴团队的文章“Hydrogen-Assisted Growth of Ultrathin Te Flakes with Giant Gate-Dependent Photoresponse”,作者通过氢辅助化学气相沉积的方法成功地在云母衬底上制备了厚度可减薄至5 nm的二维Te薄片,通过密度泛函理论(DFT)的计算和实验证实了生长机理。基于Te薄片的FET器件具有很高的开/关比(Ion/Ioff≈104)和超低的断态电流(≈8×10-13 A)还显示出高门控光响应性,当栅极电压从-70 V变到70 V时,Ion/Ioff增加了约40倍,响应率降低了约45倍,这些特性表明二维Te薄片在光电子学中具有巨大的应用潜力。

氢辅助单元素二维材料的可控生长及光电应用

图文导读

氢辅助单元素二维材料的可控生长及光电应用

图1. Te薄片CVD生长过程示意图和材料表征

图1给出了超薄Te纳米片生长过程示意图和材料表征,证明了通过这种氢气辅助的CVD方法可以在云母衬底上生长出高质量的Te薄片。生长出的Te薄片外观呈现正三角形,厚度约为5 nm(图1b和c)。Te薄片的Raman(图1d)也显示出三个明显振动模式A1,E1和E2,与其晶格振动匹配。利用TEM对材料进行表征(图1e-g)则进一步证明了其晶体结构和高结晶质量,生长出来的Te薄片还表现出长期的稳定性,为进一步研究其光电性质奠定了基础。

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图2. Te薄片生长过程偏态密度(PDOS)谱

图2显示了在生长过程中的偏态密度(PDOS)谱的理论计算,当H2与TeO2在高温下反应时,形成中间过渡态,而中间过渡态不稳定,存在重排反应(TeO2+H2→Te+H2O),挥发性中间产物又可以提高前驱体的蒸气压,促进反应的进行。

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图3. Te薄片Raman图谱的厚度依赖性和温度依赖性

图3显示了Te薄片Raman图谱存在厚度依赖性和温度依赖性。随着厚度增加,由于其独特的螺旋链结构和较弱的层间长程库仑相互作用,A1和E2两种振动模式会存在“红移”现象(图3a和b),而当温度从300 K降低到80 K时,A1和E2两种振动模式显示出“蓝移”的变化规律(图3c和d),同时峰位和温度呈现良好线性关系。

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图4. 基于Te薄片的FET器件在不同温度下(Ambient,300 K以及80 K)电学输运特性的比较

为了评价其电学性能,将生长的Te薄片转移到SiO2/Si衬底上制备成FET器件(图4a)。在不同条件下(Ambient,300 K和80 K)的转移特性曲线都表现出明显的P型半导体特性(图4b)。300 K下的迟滞改善较弱,可能依赖于Te薄片表面俘获态的去除,而当器件被冷却到80 K时,器件迟滞比其他条件下要小得多,是由于低温抑制了热激活缺陷。在三种不同温度下,器件都表现出良好的欧姆接触和低肖特基势垒(图4d-f)。

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图5. 基于Te薄片的FET器件随温度变化的输运特性以及不同栅压下器件肖特基势垒高度和内置电场的变化

图5给出了在80 K-300 K不同温度下器件的电学输运特性,图5a表明二维Te薄片是P型半导体,与Te空位等内部缺陷有关。图5b为二维电子浓度P2D随温度的变化曲线,当温度从80 K上升到220 K时,P2D变化不大,而当温度高于220 K时,P2D急剧升高,这可以归因于Te薄片的缺陷态被热激活。随着温度升高,器件迁移率和开关比随之下降(图5c和d),图5f则显示了随Vg变化的肖特基势垒高度,大小约为38 meV。利用SKPFM来反映材料和电极之间的电位差(图g-i),内建电势大小约为50 mV,测得的本征掺杂浓度N约为1.4×109 cm-2

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图6. 532 nm光照下,Te光电探测器在300 K和80 K的光响应曲线以及能带机理解释

将Te场效应晶体管用于532 nm光电探测,与300 K时相比,在80 K时,在黑暗和光照下观察到的电流都要低得多,这是由于热效应抑制了缺陷以及降低载流子密度(图6a-c)。随着光强增加,光电流Iph增大,当栅极电压从-70 V变到70 V时,Ion/Ioff增加了约40倍,而响应率降低了约45倍。在没有光照和偏置的情况下,器件处于平衡状态,载流子在沟道中的传输由两个接触势垒控制。当器件处于OFF状态(Vg>Vth)时,Iph与Vds呈线性上升。相反,由于金属-半导体界面的势垒较低,在器件On状态(Vg<Vth)时,隧穿电流和热离子电流有利于聚集,导致光响应上升。

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总结与展望

本文通过氢辅助化学气相沉积的方法成功地在云母衬底上制备了厚度约为5 nm的二维Te薄片,并通过密度泛函理论(DFT)的计算和实验证实了生长机理。基于Te薄片的场效应晶体管(FET)表现出了优异的光电性能,在光电子学中有巨大的应用潜力。这个结果给了我们启发,提供了一种生长高质量二维材料的新策略,为生长新型二维材料提供了指导,并有望进一步在衬底上实现晶圆级高质量二维薄膜的生长,为在半导体器件领域实现大规模应用奠定基础

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文献信息

(Hydrogen-Assisted Growth of Ultrathin Te Flakes with Giant Gate-Dependent Photoresponse. Adv. Funct. Mater. 2019, 1906585, DOI:10.1002/adfm.201906585)

文献链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201906585

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | Ripper

主编丨张哲旭


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