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基于层数调控的二维半导体同质结的研究

层状过渡族金属二硫属化物(Transition metal dichalcogenides,以下简称为TMDCs)是二维材料的重要分支。和金属性的石墨烯不同,TMDCs具有1-2eV的能带带隙,属于半导体,并且其能带结构具有厚度可调控特点。这些特点与其超薄的形貌、优异的力学性质和合理的化学稳定性相结合,极大地促进了以该材料为基础的超薄半导体器件的设计和研究。目前文献中涌现出大量的基于层状TMDCs的电学器件和光电器件的报道,如场效应管,光伏设备,光电探测器,传感器,非易失性存储器和光学开关等。

众所周知,大多数半导体器件(transistor, photovoltaic, diode等)是基于半导体结(如p-n结,Schottky结等)而构建的。受此启发,通过局部区域的栅压调控,掺杂和面内的外延生长,或者通过层间外延生长和机械堆垛p型和n型材料,研究者们实现了TMDCs层间或面间的p-n结构建。以上方法主要着眼于在二维材料上构建传统的p-n结。器件的设计思路也倾向于将传统半导体工艺扩展到二维材料上。但是传统理念与新材料的结合困难重重,比如材料制备难和结构脆弱(如机械剥离的TMDCs材料尺寸小,重复性差),器件构造复杂(如需要非常严格的校准技术堆垛p或n型材料),以及功耗大等。二维材料的内在特点和优势并没有完全体现出来。TMDCs的能带结构具有厚度依赖性,随着层数的减少,能带结构从多层的间接带隙变成单层的直接带隙,能隙也随之变大。

莱斯大学Ajayan课题组成员何勇民雷思东宫勇吉李波等,Yakobson课题组成员张助华Halas课题组成员Ali Sobhani等人合作证明通过可控调节材料的厚度(或层数),在多层MoSe2单晶的不同层间直接构建了一种类似于p-n结的新型同质半导体结,可以达到整流效应和光伏效应。比如,单层-双层MoSe2之间形成的同质半导体结的光伏测试表明,其开路电压(Voc)可以达到148mV。值得一提的是,这种同质结相比于之前的基于二维材料的半导体结具有独特的优势,例如其构建工艺更加简单,可集成大规模化,而且其性质具有厚度可调控(比如不同层间的Voc等)的特点。

基于层数调控的二维半导体同质结的研究

为了能够准确的探索这种新型半导体结的来源和特性,研究者首先从材料方面入手:通过化学气相沉积(CVD)的方法制备了大面积的层数可控的MoSe2(单层至四层),并通过扫描透射显微镜(STEM)原子力显微镜(AFM),拉曼(Raman)光谱和荧光(PL)光谱对层间过渡区进行了精细的表征,证实了相邻层的过渡区具有单层厚度的台阶并且过渡区没有其它共价键连接。在此基础之上,研究者制备了半导体器件首次观察到了在MoSe2的相邻层之间形成的同质半导体结具有很好的整流效应和光伏效应。同时结合理论计算和原位的层间Scanning photovoltage (open-circuit voltage) mapping 和photocurrent mapping测试,证实了这种半导体结的存在不同于传统p-n结的光响应特点。其次,研究者进一步设计了更为复杂的电子器件结构如太阳能电池阵列,证明了基于TMDCs大规模电路制备的可能性。结合TMDCs大规模生长的可控性的提高,我们相信基于这种新型的层间半导体同质结的研究将会进一步推进为二维材料在半导体器件中的应用。

该工作由莱斯大学Ajayan课题组、Yakobson课题组、Halas课题组和兰州大学谢二庆课题组合作完成。该工作的第一作者为莱斯大学Ajayan课题组访问学者,兰州大学何勇民博士,通讯联系人为李波教授,谢二庆教授和Ajayan教授。相关论文在线发表在Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.201600278上。

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